Elegir la fuente de alimentación de PCB correcta: fuentes de alimentación aisladas o no aisladas
Llegará un momento en tu carrera como diseñador de PCB en el que deberás atenerte a las disposiciones de los organismos reguladores. Tu diseño, ya sea en el terreno médico, automotriz, militar o de cualquier otro tipo, se examinará minuciosamente y se someterá a estándares muy altos. A menudo, llegados a este punto, el aislamiento de la alimentación (o la falta de este) es un tema muy recurrente.
¿Qué es el aislamiento de la fuente de alimentación de PCB? ¿Y qué es una fuente de alimentación aislada? El aislamiento de la alimentación es exactamente eso: el aislamiento de la fuente de alimentación del resto del circuito al que alimenta. Esta es, por razones obvias, una de las regulaciones de las que hablábamos antes, especialmente cuando se trata del campo médico. Si la PCB del equipo médico no tiene la fuente de alimentación aislada, existe un riesgo mayor de que se produzcan descargas en el interior del dispositivo y provoquen daños al usuario (o incluso al paciente). ¿Te imaginas?
La diferencia entre fuentes de alimentación aisladas y fuentes de alimentación no aisladas gira en torno al diseñador y a la seguridad del usuario. Aquí, no estamos hablando de las fuentes de alimentación de CA o CC que te encuentras en el laboratorio. En muchos sistemas electrónicos y embebidos, la fuente de alimentación está integrada en la placa y no se muestra como un solo circuito integrado. El aislamiento de la fuente de alimentación, incluso cuando está integrada en la placa, es necesario para proteger al usuario final y al equipo. Así pues, pongámonos manos a la obra y analicemos la diferencia entre las fuentes de alimentación aisladas y no aisladas antes de comenzar con el diseño.
¿Qué es una fuente de alimentación aislada?
Una fuente de alimentación aislada es una fuente de alimentación que está aislada eléctricamente del resto del circuito al que alimenta (a menudo, por medio de un transformador). Esto significa que la energía y la tensión se transfieren de la entrada a la salida sin una conexión eléctrica directa entre ambas secciones. Estas fuentes de alimentación pueden aceptar una tensión de entrada grande de la red de CA y convertirla a una tensión menor. Las etapas subsiguientes de corrección del factor de potencia (CFP) y regulador sirven para limitar la corriente de salida a un valor estable, lo que garantiza que los componentes descendentes queden protegidos contra altas tensiones y sobretensiones en la entrada de la fuente de alimentación.
En el caso de las fuentes de alimentación de CC o CA de grado de laboratorio, el usuario deberá interactuar con la etapa de salida de la fuente de alimentación aislada. Dicho de otro modo, es posible que necesiten conectar o desconectar cables, ajustar configuraciones en el panel frontal o manipular la unidad de fuente de alimentación. Al aislar la entrada de la salida, el usuario final tiene un riesgo menor de descarga cuando trabaja con la fuente de alimentación. A continuación se muestra una topología típica para convertir CA a CC con una fuente de alimentación aislada.
Topología simple para la etapa de salida de una fuente de alimentación aislada por medio de un transformador
Para la conversión de CC a CC, una fuente de alimentación aislada debe convertir primero CC de alta potencia a una señal de CA (como con un convertidor resonante LLC), que luego se reduce a una tensión más baja con ayuda de un transformador. Las etapas de rectificador/regulador que se muestran arriba convierten la nueva tensión de alimentación de CA en el lado de salida en alimentación de CC. Diseños más complejos, como un convertidor de retroceso u otro convertidor CC-CC de conmutación aislado, utilizarán un MOSFET de conmutación para generar una forma de onda variable en el tiempo, que luego se reduce en el lado de salida y se regula.
Los transformadores proporcionan aislamiento galvánico
Una fuente de alimentación aislada utiliza un transformador para proporcionar aislamiento galvánico entre las secciones de entrada y salida. Los transformadores simplemente transfieren energía entre bobinas usando el campo magnético que genera una corriente alterna en un solenoide, y la tensión aumenta o disminuye dependiendo de las exigencias de los componentes descendentes. La ventaja del aislamiento con transformador es que no hay conexión eléctrica directa entre las bobinas de entrada y salida. Los conductores a cada lado no se tocan. La corriente solo se transfiere entre las bobinas mediante inducción. Esto mantiene todo lo que esté aguas abajo del transformador protegido de la alta tensión/corriente en el lado de entrada o, en otras palabras, "aislado".
Cuando se necesita un bucle de realimentación para supervisar y controlar la potencia de salida, normalmente se usa un optoacoplador para enlazar la salida a una etapa de regulador anterior. Este componente utiliza un diodo infrarrojo para garantizar el aislamiento entre las etapas de alta potencia y baja potencia del regulador. Para las fuentes de alimentación que funcionan a baja tensión/corriente, generalmente se puede conectar un optoacoplador directamente a la salida, aunque hay algunos CI de optoacoplador que pueden recibir mayores niveles de tensión/corriente.
Un aspecto que considerar en una fuente de alimentación aislada es su eficiencia. Todos los transformadores tienen cierta pérdida, tanto en forma de calor disipado en el devanado como debido a la magnetización alterna en el núcleo. El material magnético utilizado en el núcleo (generalmente hierro o una aleación ferromagnética de hierro) se magnetiza y desmagnetiza a medida que la corriente alterna de entrada oscila. Cuando el campo magnético creado por la entrada de CA es muy grande, puede provocar que la magnetización en el núcleo se sature, lo que limita la potencia de salida (disminuye la eficiencia) y genera mayores pérdidas en el núcleo.
Este tipo de transformador puede encontrarse en una fuente de alimentación aislada grande
Fuentes de alimentación aisladas o no aisladas:
Ahora que ya sabemos qué es lo que aísla una fuente de alimentación de la placa, resulta bastante obvio que para tener una fuente de alimentación no aislada basta con quitar el transformador de la cadena de diseño. Diseñar una placa sin aislamiento de alimentación es una práctica común, especialmente en sectores no regulados. Sin embargo, te recomiendo que consideres al usuario final durante el diseño, pues podrías ahorrarte algún juicio en caso de que una fuente de alimentación falle y dé a tu cliente favorito una sorpresa que le costará olvidar.
Las ventajas de diseñar sin aislamiento de alimentación son numerosas. En primer lugar, tendrás más espacio disponible en la placa, en comparación con un diseño aislado, debido al hecho de que no necesitarás incluir un transformador grande en la carcasa. Asimismo, te beneficiarás de una mayor eficiencia con una fuente de alimentación no aislada.
Las fuentes de alimentación no aisladas conllevan siempre el riesgo de descarga eléctrica
Cabe señalar que esta siendo una práctica habitual colocar estas fuentes de alimentación no aisladas después de una aislada (a veces físicamente separadas entre sí). En esta estrategia, la fuente de alimentación aislada se coloca en la fuente de CA o CC de alta potencia, que a continuación baja la tensión a un nivel suficientemente seguro para un circuito o CI regulador de CC estándar. Esto es un poco más complejo, pero tiene la ventaja de que te ofrece una protección conforme a tus exigencias en términos de seguridad. Un ejemplo podría ser una fuente de alimentación médica independiente (aislada) que alimente a un grupo de dispositivos (no aislados).
Entonces, ¿cuál es la adecuada para ti?
Como mencionamos anteriormente, estas fuentes de alimentación a menudo se requieren en sectores regulados. Algunos ejemplos son el estándar de seguridad IEC 60601-1 para dispositivos médicos, IEC 62368-1 para equipos de TI y AV (sustituye a IEC 60950-1 e IEC 60065) e IEC 61204-7: 2016 para fuentes de alimentación de modo conmutado en general.
Ahora que hemos visto los hechos, ventajas y aplicaciones, ¿sabes cuál es la adecuada para tu aplicación? Recuerda que una fuente de alimentación aislada te obligará a renunciar a parte del espacio disponible en la placa y será ligeramente menos eficiente, pero ofrecerá protección contra descargas al usuario final y puede alimentar fácilmente a una fuente no aislada.
Si has decidido utilizar una fuente de alimentación aislada en tu próximo sistema, Altium Designer cuenta con las herramientas de diseño de circuitos y composición de PCB que necesitas. Altium Designer aporta un nivel de integración inigualable al sector de la electrónica, restringido hasta ahora al campo del desarrollo de software, permitiendo a los ingenieros trabajar desde casa y alcanzar unos niveles de eficiencia sin precedente.
Estamos solo arañando la superficie de lo que se puede lograr con Altium Designer. Para una descripción más a fondo, consulta la página de productos o uno de los webinars bajo demanda.
