Hafiz Khalid, Director de Marketing de Producto, XP Power
Los términos “exacto” y “preciso” no se usan siempre de manera exacta y precisa en el lenguaje diario de acuerdo con sus definiciones formales. En el mundo de la ciencia tienen diferentes significados y se emplean de forma rigurosa al evaluar el rendimiento de los equipos o los resultados de una acción o una medida. La “exactitud” define lo cerca que está una acción o cantidad del valor “verdadero o aceptado” y “precisión” se refiere a lo cerca que están varias acciones consecutivas. Los dos parámetros se suelen expresar como variaciones porcentuales o valores absolutos, pero son totalmente independientes. El ejemplo más común es el de los disparos a una diana; si todos están distribuidos de modo uniforme a cierta distancia del centro, hay exactitud pero no precisión. Si todos están lejos del centro pero muy agrupados, hay precisión pero no exactitud. La Figura 1 lo ilustra.
Figura 1: Diferencia entre exactitud y precisión.
Un tirador solo estaría satisfecho con los resultados de la parte superior derecha, pero cuando el contexto es el suministro de alta tensión por medio de una fuente de alimentación, cualquiera de las diferentes combinaciones podría ser aceptable dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, una pinza electrostática utilizada en el procesamiento de semiconductores para recoger obleas necesita una alimentación con una exactitud relativamente baja (unos pocos puntos porcentuales del valor buscado) pero debe ser consistente, es decir, de alta precisión.
Cuando se necesitan altos niveles de exactitud y precisión
Algunas aplicaciones de las fuentes de alimentación exigen precisión y exactitud frente a variaciones de carga y de línea, respecto a diversas unidades, al tiempo y a las condiciones cambiantes del entorno. Un ejemplo sería una fuente con una alta tensión de salida que alimente equipos sensibles como los tubos fotomultiplicadores (PMT) empleados en microscopios electrónicos de barrido, espectrómetros de masas y equipos de diagnóstico por la imagen en medicina. Un PMT puede necesitar 1200V a unos pocos microamperios y amplifica la tensión del orden de 100 millones de veces para detectar fotoelectrones a niveles muy bajos. Dado que la tensión de funcionamiento influye directamente sobre la salida del PMT, y en última instancia sobre la nitidez de enfoque de la imagen, su valor absoluto (exactitud) y la consistencia de las medidas frente a cambios de temperatura y entre intervalos de calibración (precisión) son importantes.
Los espectrómetros de masa también necesitan fuentes de alimentación de alto rendimiento para que las medidas sean válidas. Los valores estáticos de la tensión de salida de la fuente de alimentación y la estabilidad a largo plazo son primordiales en estas aplicaciones, pero todo ruido superpuesto también puede ser problemático; por ejemplo, “ahogando” una señal del PMT. Además, la repetibilidad al usar diferentes equipos a lo largo del tiempo y frente a variaciones de la temperatura (precisión) es vital para obtener unos resultados consistentes y significativos. Las fuentes de alta tensión a menudo están relacionadas con medidas y operaciones de alta sensibilidad. Los ejemplos son muy numerosos, como la alimentación de aplicaciones de litografía por haz de electrones en la fabricación de semiconductores y los actuadores piezoeléctricos para el posicionamiento de lentes o espejos.
El reto para el diseñador de la fuente de alimentación
Las fuentes de aplicación de tipo general (tanto CA/CC como CC/CC) se destinan a aplicaciones típicas que han sido aceptados por los usuarios finales durante décadas. Pueden tener una exactitud de la tensión inicial del +/-2%, una regulación del 0,5% entre un 10% de la carga hasta el valor máximo de salida, y una variación de la salida del 0,1% para una variación de la tensión de línea entre el mínimo y el máximo. El rizado y el ruido se expresan a menudo como un máximo del 1% de la salida de pico a pico, medido en un ancho de banda de 20MHz. Los valores derivan del uso de componentes prácticos en el diseño de la fuente de alimentación caracterizados por su bajo coste y amplia disponibilidad, lo cual es beneficioso tanto para el fabricante como para el usuario. Por ejemplo, la tensión establecida a la salida se define por medio de una referencia de tensión interna y una cadena de división resistiva a la salida. Una vez añadidas las tolerancias, incluso los componentes para un product convencional deben estar generalmente dentro del +/- 0,5%, por lo que son más caros que los modelos comunes de +/-1%. En las tensiones de nivel lógico, esto produce desviaciones medidas en milivoltios, pero si la salida es de 2kV es de decenas de voltios, lo cual supone un problema para los equipos sensibles.
Los valores aceptables para aplicaciones de alta tensión como la microscopía por haz de electrones o la litografía por haz de electrones suele ser del 0,02% – 00001% (200ppm – 1ppm) para la regulación de línea y de carga y quizás del 0,0005%/5ppm de la tensión nominal para valor de rizado y ruido de pico a pico, y que equivale por ejemplo a 100mVpp para 2kVCC.
Estas cifras solo se pueden obtener tras un diseño minucioso de la fuente de alimentación recurriendo a referencias de tensión de precisión con compensación de temperatura, resistencias con calidad de laboratorio y topologías de conversión que sean de bajo ruido de manera inherente, como los osciladores de potencia o de tipo resonante.
El diseño del transformador del convertidor interno también es especialmente importante para lograr un aislamiento elevado y un bajo ruido. A menudo es necesario colocar varios blindajes para reducir el nivel de ruido y los propios blindajes también presentan dificultades por su aislamiento. Incluso la posición relativa de los “principios” y los “finales” de un devanado pueden ser importantes para lograr un cierto grado de autoblindaje. Los modulares modulares suelen ser carcasas metálicas que proporcionan blindaje con un aislamiento de protección garantizado desde la entrada y la salida hasta la carcasa.
Aspectos prácticos sobre alta tensión
Las tensiones altas necesitan impedancias de alta sensibilidad para minimizar la disipación. Por tanto, la corriente de fuga también se debe controlar con cuidado ya que la más leve contaminación de una huella dactilar en una placa de circuito impreso podría afectar a una salida o incluso generar un arco eléctrico sobre la superficie. Las distancias en el aire y las líneas de fuga, por su parte, deben cumplir las normas de seguridad y el trazado de la placa de circuito impreso no debe tener esquinas pronunciadas con el fin de evitar puntos con un campo eléctrico intenso y la correspondiente descarga. Si las tensiones son extremadamente elevadas hay que prestar atención material de la propia placa de circuito impreso, por lo que el FR4 se suele sustituir por epoxy BT, láminas rígidas tratadas con fenoles o TeflonTM para alta tensión ya que mejoran la rigidez dieléctrica.
Las fuentes de tensión modulares de alta tensión suelen estar cerradas para evitar la posible generación de arcos eléctricos provocados por la contaminación y proteger al usuario. Sin embargo, cerrarlas puede incrementar la intensidad del campo eléctrico bajo algunas circunstancias, por lo que se debe hacer con cuidado. Se pueden utilizar materiales de tipo epoxy y siliconas teniendo en cuanta sus ventajas e inconvenientes en cuanto a resistencia mecánica, resistencia a la humedad, resistencia química, adhesión, maleabilidad y rango de temperatura. En la práctica, los tipos de materiales suelen venir limitados por los sistemas de aislamiento previamente homologados por los organismos de seguridad.
Hay que tener en cuenta todos estos factores para que el convertidor de potencia sea económico, muy compacto y eficiente. Un diseño deficiente podría dar como resultado un producto que no cumpla la demanda de productos de tamaño muy pequeño, que disipen poco calor y ofrezcan una alta fiabilidad y una larga vida útil. Además requieren protección frente a cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones, y con frecuencia también la monitorización del estado de la salida, capacidad de reprogramación remota de la tensión de salida y limitación de la corriente desde cero hasta el máximo valor nominal.
Los especialistas ya han hecho el trabajo duro
Las empresas especializadas en conversión de potencia han trabajado duro y ofrecen productos estándar que cumplen los requisitos de alta tensión. XP Power, por ejemplo, cuenta con la gama HCP (Figura 2), que suministra hasta 300kV a 350W y destaca por su nivel de rizado y ruido inferior a 1ppm, una regulación de línea del 0,001%/10ppm y una regulación de carga del 0,02%/200ppm para una carga nominal del 0-100%. El ajuste de la resolución tiene un valor típico por debajo del 0,001%/10ppm mediante su potenciómetro “fino”. La tensión y la corriente de salida son programables entre 0-100% con entradas analógicas de control de 0-5V y la eficiencia típica es del 90%. Hay otros productos disponibles en varios formatos, como el montaje en una placa de circuito impreso cerrada, de sobremesa y soluciones para montaje en bastidor con tensiones nominales de hasta 600kV y potencias de salida de hasta 600kW.
Figura 2: La gama HCP de XP Power destaca por sus niveles de rizado y ruido por debajo de 50ppm, con una regulación de línea de 0,001%/10ppm para una variación del +/-10% y una regulación de carga del 0,02%.
Conclusión
Conseguir la precisión y la exactitud necesarias en el diseño de una fuente de alimentación de CC para las exigentes aplicaciones de alta tensión supone un reto complicado. La adquisición de una fuente certificada normalmente es la solución más económica, con un riesgo mínimo de diseño y el plazo más rápido de comercialización para un producto final.
