Cuestiones sobre el funcionamiento de la fuente de alimentación en paralelo y en serie
Autor: Simeon Tremp, Senior Global Product Manager, Traco Power AG
Cuando se selecciona una fuente de alimentación, las opciones se ven limitadas por el catálogo de productos del suministrador habitual. Sin embargo, es posible que algunas aplicaciones exijan una corriente muy superior a la que se puede encontrar, o quizás haya modelos disponibles con la corriente deseada pero no con la tensión necesaria. Una posibilidad sería recurrir a una fuente de alimentación a medida, pero esta inversión podría rebasar el presupuesto del proyecto. ¿Acaso no hay nada más que hacer?
Una alternativa puede consistir en mejorar la disponibilidad o el tiempo de actividad del sistema o equipo y en garantizar la redundancia de la fuente de alimentación.
En todos estos casos vale la pena pensar en el funcionamiento de la fuente de alimentación en paralelo o en serie. Si bien ambos principios de funcionamiento están claros, como suele suceder en el ámbito de la ingeniería, surgen dificultades en la fase de implementación. Vamos a repasar ambos tipos de funcionamiento y destacar algunos aspectos que es preciso tener en cuenta.
Funcionamiento de fuentes de alimentación en paralelo para aumentar la potencia
Si su aplicación exige más corriente de la disponible con una sola fuente de alimentación, pero puede encontrar un modelo que proporcione la tensión de salida necesaria y cumpla otros requisitos técnicos, la solución podría consistir en recurrir a dos o más fuentes en paralelo.
En principio es posible utilizar tantas fuentes de alimentación como se necesiten para obtener la corriente de salida deseada. La opción más sencilla es usar dos para duplicar la corriente suministrada.
Principio de funcionamiento de una fuente de alimentación en paralelo: la carga recibe la mayor parte de la suma de la IMAX de las fuentes de alimentación seleccionadas. Se recomienda utilizar un circuito de protección para una estructura en paralelo.
La principal cuestión para el funcionamiento en paralelo es garantizar que cada fuente aporte la misma corriente. Es muy probable que una unidad asuma una proporción muy superior de la carga que las otras, por lo que alcanzará una mayor temperatura. Esto provoca su sobrecalentamiento y su fallo prematuro.
También vale la pena señalar que, durante el funcionamiento, el reparto de la corriente con cargas bajas (<30% del máximo) es bastante desigual, de modo que las fuentes que funcionan con una tensión más alejada de la tensión media son las que aportan más. No obstante, esto no debería ser un problema dado que sitúa en el extremo más bajo de la corriente máxima de salida de cada unidad. A medida que aumenta el consumo de corriente, la aportación de cada fuente suele equilibrarse hasta casi igualarse.
También se pueden añadir diodos en serie a la salida de cada fuente de alimentación, y se deberían utilizar con más de dos fuentes en paralelo. Si bien esto ofrece protección, la caída de tensión resultante añade otra dificultad. Además se deben seleccionar diodos capaces de manejar una corriente hasta cuatro veces mayor a la de salida, el doble de la tensión nominal, y es posible que necesiten un disipador de calor.
Sin embargo no se recomienda aplicar un método tan sencillo, sino utilizar un circuito externo que comparte la carga de forma activa para una estructura en paralelo con el fin de equilibrar la corriente absorbida de cada fuente. Esto aumenta la complejidad del sistema, puede ser susceptible a las interferencias procedentes del entorno e incrementa el coste, pero proporciona mayores niveles de fiabilidad y seguridad. Algunas fuentes de alimentación incluyen este soporte al funcionamiento en paralelo y el reparto activo de la carga.
Fuentes de alimentación en paralelo para obtener redundancia
La disponibilidad y el tiempo de actividad son dos aspectos clave en muchas aplicaciones. Por ejemplo, los equipos de fabricación en el sector de la automoción no se pueden permitir ningún tiempo de inactividad, y si las máquinas se paran en la elaboración de alimentos se deben limpiar a fondo antes de reactivarse por razones de higiene.
El tipo de redundancia más utilizado es 1+1: una fuente de alimentación proporciona la corriente requerida por la aplicación y la segunda permanece conectada y lista para entrar en funcionamiento en el caso de que falle la primera.
Solo se necesita una sencilla configuración de diodos OR, de manera que la segunda fuente de alimentación de respaldo funciona ligeramente por debajo (p.ej., 2%) de la tensión de salida requerida.
Funcionamiento básico de una estructura redundante: diodos OR en las salidas y la segunda fuente de alimentación (PSU 2) con una tensión de salida establecida justo por debajo de la tensión de salida de PSU 1. Si PSU 1 falla, PSU 2 entra en funcionamiento de inmediato.
Para corrientes elevadas se suele utilizar un método n+1, que exige una fuente de alimentación más de lo necesario (p.ej., cuatro fuentes de 15 A para una aplicación con una corriente máxima de 45 A). En el caso de que falle una fuente, las restantes seguirán alimentando la aplicación. Debido al mayor grado de complejidad del sistema se debería utilizar un circuito de monitorización inteligente basado en MOSFET en lugar de diodos con el fin de disminuir la caída de tensión. El circuito también se encarga de comunicar el fallo de cualquiera de las fuentes de alimentación a través de una red industrial.
Fuentes de alimentación en serie para elevar la tensión de salida
Para aumentar la tensión de salida se pueden colocar una o más fuentes de alimentación en serie. Al igual que en paralelo, se deberían utilizar unidades de la misma gama de productos; en teoría se puede recurrir a cualquier número. La corriente máxima disponible es la de la fuente con la corriente nominal más baja.
No obstante, es muy importante destacar que si la tensión de salida supera los 60 VCC, la instalación dejará de cumplir los requisitos SELV (Safety Extra-Low Voltage). Las salidas necesitarán una barrera de protección que impida al usuario tocarlas y la toma de tierra a la salida deberá estar conectada a Tierra.
También es posible que haya que conectar diodos de polarización inversa (Schottky) a la salida de cada fuente de alimentación para ofrecer protección si se produce un cortocircuito en la carga. La tensión y la corriente nominal de estos diodos deben duplicar como mínimo las de la carga.
Funcionamiento en serie: las fuentes de alimentación proporcionan la suma de sus tensiones de salida y la corriente máxima de la fuente de menor corriente. Las salidas están protegidas por diodos Schottky.
Es posible que la forma de la tensión de salida al inicio no sea muy lineal. En el caso de que una fuente de alimentación arranque con más rapidez que la otra, la salida será la suma de ambas salidas y el arranque puede ser inestable donde la fuente de alimentación más lenta active su salida. Existe el riesgo de que esto provoque problemas con algunas cargas.
Con una estructura en serie, las diferencias en el tiempo de arranque pueden provocar inestabilidad en la tensión de salida.
Principales consejos para el diseño en serie y en paralelo
El funcionamiento de las fuentes de alimentación en serie o en paralelo puede acarrear algunos quebraderos de cabeza. Un buen punto de partida consiste en utilizar varias fuentes de alimentación iguales o al menos limitarse a unidades pertenecientes a la misma gama. Asegúrese de que su elección cumplir todos los requisitos básicos desde un punto de vista eléctrico, mecánico y ambiental. También es imprescindible que ninguna de las fuentes utilizadas funcione con sobrecarga en ningún momento. La mejor solución es recurrir a circuitos que repartan la corriente o seleccionar fuentes de alimentación que soporten el funcionamiento en paralelo.
Preste atención a las características de los diodos de protección y compruebe que el cableado esté bien dimensionado y con longitudes similares, es decir, que sea simétrico. Tampoco hay que olvidar que es preciso tener en cuenta la caída de tensión en los cables. También pueden aparecer problemas de compatibilidad electromagnética que no existen cuando se utiliza una sola fuente de alimentación, así como otros aspectos como corrientes de fuga, picos de corriente, rizado y ruido.
Si no está seguro de que la fuente que ha escogido se pueda utilizar en serie o en paralelo, es mejor contactar con un experto y pedirle consejo.
