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Especificaciones de alimentación para aplicaciones ferroviarias

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Segunda parte del artículo técnico sobre la conversión de potencia en los transportes, concretamente, la alimentación para aplicaciones ferroviarias, escrito por Andrew Hutton, Product Manager de AVNET Abacus.

A diferencia de la automoción, no hay limitación centralizada de transitorios y sobretensión en aplicaciones ferroviarias, por lo que la electrónica a nivel sistema suele tener que soportar niveles de estrés muy altos.

El estándar generalmente aplicado es EN50155 y, en algunos casos, también se tienen en cuenta las normas británicas RIA12 y RIA13. Un requisito extra con respecto al sector del automóvil se encuentra en los equipos que resisten caídas de entrada regulares con una duración de hasta 20 ms en aplicaciones de ‘Clase 3’. Los equipos a bordo de trenes tienden a ser de mayor tamaño que los de un coche, por lo que se suele ver a menudo DC-DC en configuraciones de montaje en carril DIN y chasis.

También existen diferentes categorías de instalación, incluyendo montaje en eje y carrocería con diversos requisitos de choque, vibración y golpes. Esta categoría define el grado de sellado ambiental necesario, hasta el encapsulado completo. La tensión del sistema DC nominal, que puede situarse entre 24 y 110 VDC, supone otra complicación añadida.

Especificaciones de alimentación para aplicaciones ferroviarias
Rangos de tensión de entrada en aplicaciones ferroviarias

Las sobretensiones, en el peor de los casos, pueden alcanzar 3,5 veces la entrada nominal o 385 V desde un nominal de 20 ms. Los transitorios de algunos microsegundos que pueden llegar a varios kV están definidos en el estándar EN61000-4, incorporado a la Directiva Europea sobre EMC. Las caídas de tensión pueden llegar al 70 por ciento de la alimentación nominal sin pérdida de funcionalidad o un 60 por ciento con alguna pérdida.

Un resumen de las posibles subidas y caídas de tensión aplicadas en equipos electrónicos de proyectos ferroviarios aparece en la figura 5 (para Estados Unidos, Europa y el estándar francés NF-F-01-510).

Caídas de tensión en la alimentación para aplicaciones ferroviarias

Como sucede en los automóviles, las sobretensiones de elevada energía son todavía más difíciles de restringir o absorber, por lo que los DC-DC están diseñados para incluir el máximo voltaje en su rango de entrada normal o confiar en un circuito acondicionado previamente y ubicado en otro lugar que dota de una salida estabilizada. En cualquier caso, para abarcar las caídas de tensión, la tensión DC-DC debe tener el máximo rango operativo posible, con una entrada 10:1 como algo habitual. Los convertidores DC-DC con entradas conmutadas de rango automático son posibles, pero tienen que rendir de manera consistente y segura con la subida y caída de tensión en todos los rangos de entrada. A menudo, una solución práctica consiste en anteponer un regulador lineal que reduce el exceso de tensión durante la sobretensión. Su disipación de pico es elevada, pero el promedio suele ser bajo, ya que las sobretensiones son poco frecuentes.

Debido a estos niveles de energía en la alimentación para aplicaciones ferroviarias, resulta complicado hacer frente a las bajadas de tensión. Un condensador “grande” en la entrada del convertidor es una solución sencilla, pero poco práctica con tensiones de entrada nominales inferiores. Imagine tener que retener una entrada DC-DC a 200 W durante 20 ms con un nominal de 24 V y una caída de 16 V. Se necesitaría una capacidad de 25.000 µF. Y peor todavía, la ratio de tensión del condensador tendría que ser de 75 V para hacer frente a las sobretensiones en una línea de 24 V. Por el momento, este componente tiene unos 50 mm (2.5”) de diámetro y 150 mm (6”) de longitud, ¡un tamaño comparable al de un DC-DC de 200 W! Los esquemas han sido concebidos para llevar la entrada a un mayor nivel de tensión y almacenar la energía en un condensador que, entonces, cambia la entrada si detecta que ha caído. Aunque esto añade complejidad y coste, supone una buena alternativa ante el elevado coste de un condensador grande y, si se puede evitar la presencia de un dieléctrico, se consigue una mejora en fiabilidad y vida operativa.

Filtrado de ruido de modo común
Filtrado de ruido de modo común

Los filtros de entrada similares a los del sector de la automoción (de la figura 1) se utilizan en aplicaciones ferroviarias, así como en tareas de protección ante vulnerabilidad de transitorios y polaridad inversa. No obstante, las especificaciones para automóviles y ferrocarriles ponen límites a las emisiones generadas por un convertidor DC-DC, que debe lidiar con ello. En algunas ocasiones, en ambos ámbitos de aplicación se necesita un grado de supresiones de emisiones de ruido en modo común, particularmente si el DC-DC produce salidas aisladas. Este tipo de ruido se atenúa con un choque en modo común o de “corriente compensada” insertado en las líneas de entrada de DC-DC. Las bobinas se colocan de tal forma que se suspende el flujo magnético de corriente, por lo que se pueden usar las elevadas inductancias sin riesgo de saturación. A su vez, el choque presenta una inductancia alta y, por consiguiente, elevada impedancia a las corrientes ruidosas, comunes en ambas líneas que circulan hacia la toma de tierra. La figura 6 muestra la distribución típica. L1 y L2 aportan algún tipo de atenuación de ruido de modo diferencial.

Soluciones de alimentación para aplicaciones ferroviarias listas para usarse

Naturalmente, la solución ideal es especificar un convertidor DC-DC que cuente con un filtro de entrada y, quizá, integre protección ante una polaridad inversa. Varios fabricantes ofrecen componentes con estas características y son compatibles con la normativa vigente. Por ejemplo, Delta y Bel Power Solutions garantizan la compatibilidad con el estándar EN50155 en sus DC-DC de carril DIN con amplio rango de entrada, y Mean Well hace lo mismo con sus series RSD30/300 de modelos encapsulados. Además, Delta ofrece una gama de productos de montaje en chasis para rendir en entornos adversos como el transporte: se trata de las series B40/62/70SR con sellado IP67 opcional. Todas estas unidades se distinguen por sus niveles elevados de supresión de transitorios e inmunidad ante la descarga electrostática (ESD).

Para un filtro discreto, se encuentran disponibles MOV de fabricantes como Kemet, Bourns o TDK, y diodos TVS de AVX, Bourns o Vishay. Los inductores de modo común y diferencial provienen de marcas como Schaffner, TE y Premier Magnetics.

AVNET Abacus suministra los componentes de estos fabricantes en stock con el objetivo de ayudar a acortar el tiempo de llegada al mercado de nuevos desarrollos. Si necesita asesoramiento en el proceso de selección de la fuente de alimentación para su aplicación, haga clic en el apartado “Pregunte al Experto” o póngase en contacto con nuestros especialista locales (en su propio idioma). También puede clicar aquí para conocer nuestra amplia gama de soluciones de alimentación DC-DC y recursos de diseño.

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