Protección de fuentes de alimentación programables de CC: protección contra cargas inductivas, capacitivas y oscilatorias

Conectar una fuente de alimentación de CC a una carga puede parecer claro, pero puede resultar complicado en determinadas situaciones. Si bien los fabricantes de fuentes de alimentación diseñan sus productos para que sean estables al alimentar varias cargas, ciertas características de la carga pueden presentar riesgos e incluso dañar la etapa de salida de la fuente de alimentación. Las cargas inductivas y capacitivas y las cargas con cambios rápidos en la corriente de carga pueden crear condiciones que provoquen oscilaciones, poniendo en peligro tanto el suministro de energía como la carga. Además, las cargas inductivas y capcitivas pueden aplicar energía a la fuente de alimentación. En este blog, exploraremos los diferentes tipos de cargas peligrosas para fuentes de alimentación de CC y ofreceremos soluciones para garantizar el funcionamiento confiable de la fuente de alimentación y la protección de la carga.

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1. Cargas inductivas:

   Las cargas inductivas, como motores, solenoides y relés electromecánicos, pueden ser una fuente de energía que alimenta una fuente de alimentación y la daña. Cuando se aplican voltaje y corriente a una carga inductiva, se crea un campo magnético que almacena energía potencial. El campo magnético colapsa cuando se corta la energía, lo que induce un pico de voltaje en la polaridad opuesta. Esta fuerza contraelectromotriz (EMF) puede dañar la etapa de salida de la fuente de alimentación.

   Para proteger la fuente de alimentación, se agrega un diodo de polarización inversa, conocido como diodo de retorno o diodo de rueda libre, en la salida de la fuente de alimentación. Este diodo permite que la corriente generada por la carga inductiva fluya a través de él cuando se apaga la fuente de alimentación, protegiendo la fuente de alimentación del EMF posterior.

   Figura 1. Uso de un diodo flyback para proteger la fuente de alimentación contra EMF traseros.
2. Cargas capacitivas:

   Las cargas capacitivas, como supercondensadores, bancos de carga de condensadores o filtros, pueden generar picos de voltaje peligrosos en una fuente de alimentación. Al igual que las cargas inductivas, las cargas capacitivas almacenan energía potencial. Cuando el voltaje de la fuente de alimentación cae por debajo del voltaje de la carga, la carga genera un aumento de corriente que puede dañar la fuente de alimentación.

   Se agrega un diodo en serie a la salida para evitar que corrientes inversas de cargas capacitivas fluyan hacia la fuente de alimentación para protección. Este diodo tiene polarización directa cuando la fuente de alimentación energiza la carga, pero se polariza inversamente cuando el voltaje de la fuente de alimentación cae por debajo del voltaje de la carga.

   Figura 2. Un diodo en serie protege la fuente de alimentación de la descarga de carga capacitiva.
3. Cargas de batería:

   Como fuentes de energía electroquímica, las baterías pueden dañar una fuente de alimentación programable de CC si el voltaje excede el voltaje de la fuente de alimentación. Al igual que las cargas capacitivas, un diodo en serie puede proteger la fuente de alimentación de la corriente de descarga de la batería.

   Por otro lado, la fuente de alimentación programable de CC también puede dañar la batería si se produce una conexión de polaridad inversa. Un circuito de detección de polaridad y un contactor se utilizan para sistemas de prueba de batería seguros para evitar aplicar energía a una batería conectada incorrectamente.

4. Oscilación en el circuito fuente de alimentación-carga:

   Ciertos tipos de cargas pueden hacer que la fuente de alimentación oscile, lo que podría dañar tanto la fuente de alimentación como la carga. Las cargas altamente capacitivas, las cargas inductivas y las cargas con características que cambian rápidamente pueden provocar inestabilidad. La implementación de filtros, como los filtros Pi, puede mitigar los efectos de cargas altamente reactivas y que cambian rápidamente.

   Además, las técnicas de conexión a tierra adecuadas son esenciales para evitar que fluyan corrientes de tierra ruidosas hacia el cableado de la fuente de alimentación, lo que puede causar inestabilidad. Acortar el cableado entre la fuente de alimentación y la carga y utilizar cableado blindado también puede reducir las posibilidades de captar ruido de fuentes externas.

   Figura 3. (Figura superior) Un filtro Pi puede aislar la fuente de alimentación de los efectos de alta frecuencia.

Fuente de alimentación CC bidireccional:

Una solución alternativa al uso de componentes externos para protección es considerar una fuente de alimentación de CC bidireccional. Esta fuente de alimentación puede absorber y entregar energía de forma segura, lo que la hace adecuada para cargas capacitivas, inductivas y activas. Las fuentes de alimentación bidireccionales son rentables cuando un circuito de prueba de CC requiere funcionalidades tanto de fuente como de carga en diferentes momentos durante un protocolo de prueba.

Una ilustración de una fuente de alimentación CC bidireccional es la EA Elektro-Automatik PSB 10000, equipado con una carga electrónica regenerativa integrada y verdaderas capacidades de rango automático. Esta fuente de alimentación avanzada garantiza que toda la fuente y el disipador de energía del dispositivo sean accesibles en un amplio rango operativo. Con su función de carga electrónica regenerativa, el PSB 10000 puede absorber de forma segura y devolver energía a la red de manera eficiente, lo que lo hace muy versátil y adecuado para diversas aplicaciones.

Conclusión

Conectar una fuente de alimentación de CC a una carga requiere una consideración cuidadosa de las características de la carga para garantizar el funcionamiento confiable de la fuente de alimentación y la protección de la carga. Las cargas inductivas y capacitivas pueden causar daños a la fuente de alimentación, mientras que la oscilación en el circuito de carga de la fuente de alimentación puede ser perjudicial tanto para la fuente de alimentación como para la carga.

Podemos crear un circuito de carga y fuente de alimentación estable y seguro comprendiendo las características de la carga e implementando medidas de protección adecuadas, como agregar diodos de polarización inversa y emplear técnicas de conexión a tierra adecuadas. Además, las fuentes de alimentación bidireccionales ofrecen una solución versátil para aplicaciones que requieren funcionalidad tanto de fuente como de carga. Siguiendo estas recomendaciones, podemos garantizar el funcionamiento eficiente y seguro de las fuentes de alimentación de CC y protegernos contra posibles peligros en diversos escenarios de carga.

Para conocer más desafíos y soluciones para proteger las fuentes de alimentación de CC, lea el documento técnico Garantice un funcionamiento confiable y protegido para una fuente de alimentación de CC en cualquier circuito de carga.