La administración de energía permite mejorar la administración de los gastos de energía, aumentar la seguridad y mitigar los efectos ambientales.

Ofrece una arquitectura altamente integrada y de alto rendimiento para una amplia gama de categorías de aplicaciones, como la informática de almacenamiento, las redes, las telecomunicaciones, la automoción y la electrónica de consumo. Los sistemas actuales requieren un tipo de fuente de alimentación que se integre al diseño del sistema con el fin de mantener una alta eficiencia.

Los circuitos integrados de administración de energía (PMIC) se emplean para la conversión del voltaje, la regulación del voltaje y la administración de la batería. Son esencialmente una solución de sistema en paquete. Un solo PMIC puede administrar varias fuentes de alimentación externas, suministrar energía a varias cargas y proteger contra condiciones de sobre y subtensión no soportadas, sobrecorrientes y fallos térmicos. Un menor consumo de energía en diversas circunstancias de carga, menos espacio, una excelente fiabilidad y un amplio voltaje de entrada son algunas de las principales necesidades de los sistemas actuales de administración de energía. En una amplia gama de aplicaciones, estos criterios están impulsando la demanda de reguladores de conmutación de alta eficiencia, amplio VIN y baja corriente de reposo (IQ).

Consulte nuestra amplia gama de fuentes de alimentación y soluciones de administración de energía de fabricantes líderes del mercado como ABB, Eaton Cutler Hammer, Elektro-Automatik, Harting, Hammond, Molex, NMB, Sola HD, Tripp-Lite, TDK Lambda, Weidmuller, XP Power y muchos otros.

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Fuente de alimentación

Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico que proporciona electricidad a una carga. Se refiere mayormente a la generación y al control del voltaje regulado necesario para hacer funcionar un sistema electrónico. La función principal de una fuente de alimentación es convertir la corriente eléctrica de una fuente en el voltaje, la corriente y la frecuencia correctas para alimentar la carga. Los elementos de la fuente de alimentación pueden incluir componentes de circuitos integrados (CI) como reguladores de conmutación, reguladores de voltaje lineal, convertidores de voltaje de capacitores conmutados, convertidores CC/CC, soluciones CA a CC, PMIC-IC de administración de energía, administración de baterías, alimentación a través de Ethernet (PoE) y referencias de voltaje.

Algunas fuentes de alimentación vienen como unidades autónomas, mientras que otras están integradas en los aparatos de carga que alimentan. Exigen una gran estabilidad y protección de seguridad. Sus usos abarcan una amplia gama de productos, desde aparatos de consumo hasta servicios industriales, desde milivatios hasta megavatios, y desde herramientas portátiles hasta comunicaciones por satélite. Las fuentes de alimentación industriales tienen una capacidad que va desde unos pocos vatios hasta muchos kilovatios y pueden construirse para cumplir criterios complejos, como el enfriamiento por convección/sin ventiladores, la robustez, el recubrimiento de protección o la clasificación IP para entornos hostiles.

Las fuentes de alimentación pueden limitar la corriente consumida por la carga a niveles seguros y cortar la corriente en caso de fallo eléctrico. Pueden realizar el acondicionamiento de la energía, para evitar que el ruido electrónico o las subidas de voltaje en la entrada lleguen a la carga. También pueden realizar la corrección del factor de potencia, y almacenar energía para que pueda seguir alimentando la carga en caso de una interrupción temporal de la fuente de alimentación. Dado que muchos dispositivos electrónicos requieren diferentes niveles de voltaje de CC, los diseñadores deben desarrollar un método para transformar los potenciales de la fuente de alimentación convencional en los voltajes especificados por la carga. La conversión de voltaje debe ser flexible, eficaz y fiable.

Las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan habitualmente para suministrar los diferentes niveles de potencia de salida de CC necesarios para las aplicaciones actuales, y son fundamentales para producir sistemas de conversión de potencia CC/CC altamente eficientes y fiables. Reductor, elevador, reductor-elevador, inversor y riel dividido son algunos de los más populares.

La alimentación por Ethernet es una tecnología ampliamente utilizada que permite que los dispositivos conectados en red, como los teléfonos IP, los puntos de acceso de una LAN inalámbrica, las cámaras de red de seguridad y otros terminales basados en IP, reciban energía en paralelo con los datos a través de la infraestructura Ethernet CAT-5 existente, sin necesidad de una fuente de alimentación independiente. Minimiza tanto la complejidad como los riesgos asociados al procesamiento de alimentación de CA. La última actualización del estándar PoE es el estándar IEEE 802.3at, a menudo conocido como PoE+. Estos dispositivos ofrecen una salida de potencia máxima de 30 vatios por puerto.

La carga inalámbrica elimina la necesidad de cables para cargar teléfonos móviles, aparatos inalámbricos y otros dispositivos electrónicos portátiles. El sistema de carga inalámbrica se compone de un conjunto de chips transmisores y receptores que pueden adaptarse a las distintas necesidades de las aplicaciones y son compatibles con los principales estándares de carga inalámbrica, incluido el Qi (WPC) del Wireless Power Consortium. La batería de cualquier aparato alimentado por batería puede cargarse con un cargador inalámbrico simplemente colocando el aparato cerca de un transmisor de energía inalámbrico o de una estación de carga certificada. La conocida ley de Faraday del voltaje inducido es el concepto básico utilizado en la carga inalámbrica.

CA/CC

La potencia en la entrada puede ser de corriente alterna (CA) o de corriente continua (CC). La corriente eléctrica en CA invierte periódicamente su dirección, mientras que la CC se produce cuando la corriente fluye en una dirección constante. La CC es el tipo de energía preferido para los dispositivos electrónicos. Los convertidores de CA a CC son los más importantes en la electrónica de potencia, ya que se utilizan en muchas aplicaciones del mundo real en las que la entrada es un voltaje de CA (onda sinusoidal de 50 Hz/60 Hz) que requiere la conversión de energía a una salida de CC.

Los convertidores CA/CC pueden tener varias salidas y funciones, como la protección contra sobrecorrientes, subidas de voltaje y cortocircuitos. Para convertir la CA suministrada en CC pura, un típico convertidor de CA a CC transita cuatro pasos principales. Las etapas son reducir el voltaje de alimentación; rectificar la onda sinusoidal; suavizar la forma de onda para minimizar las ondulaciones; y regular el voltaje para producir la CC de salida final.

El proceso de convertir la corriente alterna en corriente continua se conoce como rectificación. Los rectificadores se construyen con dispositivos semiconductores que conducen la corriente exclusivamente en una dirección, como los diodos. Los tiristores son rectificadores semiconductores más avanzados. Los rectificadores se clasifican en función de factores como los tipos de alimentación, la configuración del puente y los componentes utilizados. Se pueden clasificar en monofásicos y trifásicos, en función del número de diodos utilizados. Pueden ser de media onda, de onda completa o un puente rectificador, y también pueden ser de tipo controlado o no controlado. Los rectificadores no controlados ofrecen un voltaje de salida de CC fija para una alimentación de CA determinada. Los rectificadores controlados emplean tiristores y diodos, que ofrecen un voltaje de salida de CC ajustable controlando la fase en la que se encienden los dispositivos.

La conversión de CA a CC puede realizarse mediante topologías lineales o de conmutación. Los convertidores CA/CC de tipo lineal son sencillos y asequibles, pero también son voluminosos e ineficaces. El exceso de potencia se convierte en calor, lo que puede ser indeseable para algunas aplicaciones sensibles a la temperatura, pero tienen la ventaja de generar poco ruido. Los convertidores de CA/CC de tipo conmutado emplean una técnica de conversión de potencia en modo conmutado y son más complicados que los lineales. La razón de utilizar topologías más complicadas suele ser mejorar la eficiencia, reducir el ruido o funcionar con un control de potencia superior.

Para obtener una alta eficiencia energética, un convertidor CA/CC suele requerir un excelente rendimiento de conmutación. Esto puede lograrse mediante el uso de técnicas y tecnologías de vanguardia, como los MOSFET de carburo de silicio (SiC). Para mitigar la distorsión y aumentar el factor de potencia, algunos convertidores de conmutación incluyen corrección del factor de potencia activa o pasiva. Un regulador de conmutación conmuta entre los estados de encendido y apagado totales con relativa rapidez, minimizando el desperdicio de energía. Los convertidores de conmutación son más eficientes, pequeños y ligeros que los lineales, pero también son más complejos. Si no se suprimen adecuadamente, pueden producir problemas de ruido eléctrico, y los diseños simplistas también pueden tener un bajo factor de potencia.

Las fuentes de alimentación de convertidores CA/CC están disponibles en una variedad de tipos de paquetes y pueden ser del tipo unidad cerrada o del tipo marco abierto, junto con diferentes opciones como montaje en PCB, montaje en estante, riel DIN, externo, etc. También están disponibles en base a la capacidad de potencia máxima, o bien pueden ofrecer un control simple de corriente constante.

CC/CC

Los convertidores CC/CC son fuentes de alimentación que convierten un voltaje de corriente continua (CC) en diferentes niveles de voltaje de CC. Son un componente crucial de casi todos los circuitos electrónicos en los que se necesitan diferentes voltajes para alimentar diversos componentes del circuito. La entrada de un convertidor CC/CC es un voltaje de CC no regulado que se convierte en un voltaje de CC de salida regulada.

Debe funcionar dentro de unos parámetros de CC definidos, como el rango de voltaje de entrada, el rango de voltaje de salida y la máxima corriente de salida requerida para una determinada aplicación. La eficiencia, el rizado de salida, el control de la carga, la capacidad de respuesta a los transitorios, la clasificación de temperatura, el tamaño y el peso son algunas de las características de rendimiento adicionales que hay que tener en cuenta. Otro elemento importante que influye en la eficiencia y el ruido es la frecuencia de conmutación. Las frecuencias de conmutación más elevadas permiten reducir los componentes externos, las corrientes de pico y las pérdidas I2R, pero también aumentan las pérdidas en el núcleo, las corrientes de carga en la puerta y las pérdidas de conmutación.

Los convertidores CC/CC se clasifican en dos tipos: lineales y conmutados. Mientras que un convertidor CC/CC lineal genera y regula un determinado voltaje de salida a través de una caída de voltaje resistiva, un modo conmutado lo convierte almacenando periódicamente la energía de entrada y liberándola después a la salida con un voltaje variable. El almacenamiento puede ser en un componente de campo magnético (inductor, transformador) o en un componente de campo eléctrico (condensador). Este método de conversión puede aumentar o disminuir el nivel de voltaje. Los reguladores lineales ofrecen menor ruido y mayor ancho de banda.

Los convertidores CC/CC de modo conmutado se clasifican a su vez en convertidores aislados y no aislados. Los convertidores aislados ofrecen una barrera de aislamiento entre la entrada y la salida con la ayuda de transformadores y optoacopladores. Esto permite que el voltaje de salida sea flotante y se utilice como una polaridad positiva o negativa con respecto a los 0 V del sistema. Los convertidores aislados son útiles para romper los bucles de tierra, separando así las partes de un circuito que son sensibles al ruido. Los requisitos de seguridad son una razón común para utilizar un convertidor de potencia CC/CC aislado. El aislamiento separa la salida de los voltajes peligrosos de la entrada y protege contra los choques eléctricos o los cortocircuitos. Las aplicaciones de alta velocidad y alta potencia emplean convertidores CC/CC aislados.

Cuando el desplazamiento del voltaje es mínimo, se emplean convertidores no aislados. En este circuito, los terminales de entrada y salida comparten una conexión a tierra común. Se utiliza un bucle de realimentación cerrado para mantener el voltaje de salida constante con voltajes de entrada y cargas de salida variables.

Un convertidor CC/CC de conmutación, también conocido como regulador, es un circuito que transfiere energía de la entrada a la salida utilizando un interruptor de potencia, un inductor, un diodo y un condensador. Estos pueden combinarse de varias maneras para producir tipos reductor, elevador o reductor-elevador. Un convertidor reductor genera un voltaje de salida inferior al de entrada, y se denomina convertidor "reductor". La topología del convertidor elevador produce un voltaje más alto que el de entrada, y también se denomina convertidor elevador. Un convertidor reductor-elevador es una combinación de circuitos de reducción y elevación, en este caso, los voltajes de salida del convertidor pueden ser mayores o menores que el voltaje de entrada.

Los convertidores de conmutación de pequeña y gran capacidad de potencia tienen una amplia gama de aplicaciones, como fuentes de alimentación, sistemas de almacenamiento de energía, sistemas de transmisión de energía, vehículos eléctricos, sistemas de propulsión de barcos y trenes, aplicaciones de energías renovables y controladores para motores de CC.

Carga

La energía que viene de la red es siempre corriente alterna (CA). Al cargar equipos electrónicos portátiles (como teléfonos móviles y coches eléctricos), la electricidad se convierte de CA a corriente continua (CC). Un sistema de carga es un dispositivo que transfiere la energía de una red de suministro de frecuencia y voltaje constantes a corriente continua para cargar la batería y hacer funcionar los sistemas eléctricos mientras están conectados.

En los sistemas alimentados por baterías, la calidad del circuito de carga tiene un impacto significativo en la vida útil y la fiabilidad de la batería. Un buen cargador de baterías aumenta la capacidad, incrementa la duración de la batería y controla el proceso de carga. Para hacer frente a los problemas de conversión de energía portátil, se necesita una amplia gama de soluciones de administración de baterías que admitan una serie de químicas de baterías. Los controladores de administración de la carga de las baterías son sistemas de regulación del voltaje fiables, de bajo costo y de alta precisión que necesitan pocos componentes externos, lo que da lugar a diseños más pequeños, menos costosos y más sofisticados.

Las aplicaciones portátiles exigen tanto una alta eficiencia de conversión como un bajo consumo de energía en espera para mantener la duración de las baterías. Para mantener unos niveles de potencia constantes cuando las baterías se agotan, los paquetes de baterías multicelda pueden requerir conversiones reductoras, mientras que las baterías monocelda pueden requerir conversiones elevadoras. La carga de las baterías requiere una regulación constante de la corriente o del voltaje. Estos dispositivos de carga de baterías incluyen características como el preacondicionamiento de la batería, corrientes de carga programables, umbrales de fin de carga y temporizadores de transcurrencia, maximizan la capacidad de combustible y minimizan el tiempo de carga, manteniendo la duración de la batería en circuitos de bajo número de componentes y pequeña superficie, algo ideal para aplicaciones portátiles.

La carga puede realizarse mediante carga conductiva/cableada, carga inductiva/inalámbrica o mediante el intercambio de la batería. Los sistemas de carga que emplean la técnica conductiva/cableada hacen contacto directo entre el conector y el toma de entrada de carga. Un toma de corriente normal o una estación de carga pueden alimentar el cable. Se prefiere la carga conductiva porque es considerablemente más barata y eficiente.

La carga por inducción/inalámbrica emplea un campo electromagnético para transmitir energía entre dos objetos. Esto se consigue generalmente con la ayuda de una estación de carga. La energía se transfiere a un dispositivo eléctrico a través de un acoplamiento inductivo, que posteriormente puede utilizar esa energía para cargar las baterías o alimentar el dispositivo. Los cargadores de inducción emplean una bobina de inducción dentro de una base de carga para generar un campo electromagnético alterno y una segunda bobina de inducción en el dispositivo portátil transforma la energía del campo electromagnético de nuevo en corriente eléctrica para cargar la batería.

Los vehículos eléctricos (EV) se alimentan de enormes bancos de baterías, construidos a partir de largas cadenas de baterías en serie. El paquete de baterías es un conjunto de baterías individuales que sirven como fuente de combustible principal del vehículo. Los cargadores de VE se diferencian por la velocidad con la que recargan las baterías de los VE. El uso óptimo y seguro de estas baterías requiere un BMS, que incluye sistemas de almacenamiento de energía de supervisión y control de la batería, asegurando la salud de las celdas de la batería, y entrega energía a los sistemas del vehículo. Incluye un conector de carga de alto voltaje que conecta la fuente de alto voltaje para cargar la batería dentro del vehículo.

Existen varios tipos de conectores de carga, módulos de administración de energía, circuitos integrados de potencia y controladores de carga, que pueden utilizarse para una amplia gama de aplicaciones de métodos de carga conductiva e inductiva.

Administración de baterías

El crecimiento del sector de las baterías recargables está impulsado por el aumento de los dispositivos portátiles alimentados por baterías, los vehículos eléctricos, el almacenamiento de energía y las aplicaciones industriales. Las baterías de plomo-ácido, níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico e iones de litio requieren una corriente de carga y unos voltajes de salida muy precisos para cumplir las normas. Para mantener la salud de estas celdas en el paquete de baterías y suministrar la potencia necesaria, se requiere un sistema de administración de baterías (BMS). La cartera de productos de administración de baterías incluye CI de verificación de baterías, CI de cargadores de baterías, CI de indicadores de nivel de baterías, CI de protectores de baterías y CI de monitorización y supervisión de baterías, que pueden utilizarse para una amplia gama de aplicaciones.

Un BMS es un sistema electrónico que administra la carga, el control de la descarga y brinda otras características avanzadas como la protección de las celdas, la supervisión y el equilibrio de las mismas, el cálculo de la duración de la batería, el control de su entorno, etc. La función principal de un BMS es proteger la batería y evitar cualquier operación que supere su límite de seguridad. Dispone de varios bloques funcionales, como los FET de corte, un monitor de indicador de combustible, un monitor de voltaje de celda, un balance de voltaje de celda, un reloj en tiempo real, monitores de temperatura y una máquina de estado.

Existen varios tipos de circuitos integrados de administración de baterías. Los componentes funcionales se organizan de diversas maneras, desde una simple parte frontal analógica (AFE) que brinda equilibrio y monitorización hasta un sistema que requiere un controlador activo, un sistema altamente integrado que funciona de forma autónoma. El microcontrolador que se utiliza en el BMS mide el voltaje y la corriente de las celdas en tiempo real y conmuta los MOSFET en consecuencia.

En términos de estructura de hardware, las arquitecturas centralizada, distribuida y modular son los tres tipos de topologías implementadas en un BMS. Se colocan varios sensores en el paquete de la batería para recoger datos en la capa de monitorización. Los datos capturados en tiempo real se utilizan para garantizar la seguridad del sistema y evaluar el estado de la batería.

La protección de las celdas incluye la captura de datos de voltajes, temperaturas y corrientes de las mismas. El análisis de los datos determina el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) del paquete de baterías. Asegura el control de los componentes externos para mantener las celdas dentro de las condiciones recomendadas por el fabricante (por ejemplo, ventiladores, calentadores) y el control de los componentes para aislar el paquete de baterías en caso de fallo de las celdas (contactores).

El equilibrado de celdas permite compensar las celdas más débiles igualando la carga de todas las celdas del paquete de baterías para prolongar su duración. A menudo se emplean dos métodos de equilibrio de celdas, pasivo y activo. En el pasivo, las resistencias de derivación se utilizan para descargar el exceso de voltaje e igualar con otras celdas. En el activo, el exceso de carga de una celda se transfiere a otra celda con poca carga. Para ello se utilizan condensadores de almacenamiento de carga e inductores.

Los vehículos eléctricos funcionan con enormes bancos de baterías formados por largas filas de baterías conectadas en serie. El uso óptimo y seguro de estas baterías requiere el empleo de un BMS, que incluye la capacidad de supervisar y controlar los sistemas de almacenamiento de energía, así como garantizar la salud de las celdas de la batería y suministrar energía a los sistemas del vehículo.

Protección de circuitos

La protección de circuitos es el uso previsto de un dispositivo a prueba de fallos que provoca una interrupción en un circuito eléctrico cuando detecta una carga de potencia excesiva e insegura (condiciones de sobrecorriente o subida de voltaje) en un circuito. Una condición de sobrecarga puede definirse como el funcionamiento de un equipo por encima de su valor nominal normal, a plena carga, o el funcionamiento por encima de su capacidad nominal. Las corrientes de cortocircuito (corrientes de fallo) suelen producirse con un flujo de corriente anormalmente alto debido al fallo del aislamiento del conductor.

Los fusibles son dispositivos sensibles a la corriente diseñados con un trozo de cable que se funde fácilmente cuando el flujo de corriente es demasiado alto y rompe el circuito. Los fusibles reiniciables, los fusibles de cartucho y los fusibles de alta capacidad de ruptura son tipos de fusibles.

Los fusibles son dispositivos de protección de circuitos, que están disponibles en una selección muy variada. Esta línea de productos abarca diferentes tipos de dispositivos de protección de circuitos y productos relacionados. Los fusibles, las pinzas portafusibles, los portafusibles, los bloques de fusibles, los disyuntores y los dispositivos reajustables de coeficiente de temperatura positivo (PTC) son ejemplos de productos de sobrecorriente. Los varistores de óxido metálico (MOV), los diodos discretos de supresión de voltaje transitoria (diodos TVS), los tiristores, los supresores de descargas electrostáticas (ESD) y los tubos de descarga de gas (GDT) son ejemplos de productos de subida de voltaje.

Los diodos Zener son uno de los dispositivos de protección de circuitos más utilizados. Si se utilizan en modo de polarización hacia delante, restringirán las tensiones a unos 0,6 V como cualquier otro diodo de silicio; sin embargo, cuando se utilizan en modo de polarización inversa, restringirán un voltaje a un valor específico.

Los varistores son dispositivos sensibles al voltaje que se utilizan para proteger los circuitos contra los picos de voltaje transitorios. Los varistores multicapa (MLV) son principalmente dispositivos de montaje en superficie con una estructura cerámica multicapa, destinados a proteger las tarjetas de circuitos en la electrónica miniaturizada de los transitorios causados por las descargas electrostáticas (ESD), la carga inductiva, la conmutación y los transitorios de sobretensión de los rayos. Los MOV son discos de óxido de zinc revestidos de epoxi y pueden tener conexiones radiales o axiales. Los MOV son dispositivos de rango medio que se utilizan para proteger pequeñas máquinas, fuentes de alimentación y componentes.

Una sobretensión transitoria es un aumento repentino (inferior a un milisegundo) del flujo de energía. Las sobretensiones transitorias son el resultado de una serie de fuentes, las más comunes de las cuales son internas, como la conmutación de cargas e incluso el funcionamiento normal de los equipos. Estas sobretensiones transitorias dañan, degradan o destruyen los equipos electrónicos. Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) es un componente que reduce la cantidad de energía dañina que fluye en un sistema. Los SPD son el tipo más común y organizado de dispositivo de protección contra sobretensiones. En el circuito de alimentación, el dispositivo SPD suele colocarse en paralelo con los rieles de potencia y puede utilizarse en cualquier paso de la alimentación. Los SPD se fabrican principalmente con uno o varios de estos tipos de tecnologías: Tubos descargadores de chispas o gas, MOV, diodos Zener o diodos de avalancha de silicio.

Los disyuntores, también conocidos como MCB, son principalmente mecánicos y funcionan como un interruptor eléctrico que se abre cuando fluye una corriente excesiva por un circuito. Pueden restablecerse sin causar daños, y un mecanismo de bloqueo mantiene las conexiones primarias cerradas. Hacen que la electricidad sea más segura en la vida cotidiana.

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