Obviamente, las herramientas inalámbricas son populares, ya que acaban con los “molestos” cables y la búsqueda de enchufes. Por lo tanto, la tendencia se dirige hacia las herramientas alimentadas por batería. Sin embargo, a la hora de garantizar el rendimiento requerido, hay que superar unos cuantos desafíos de diseño.
Autora: Hannah Metzner, Corporate Product Manager Power de Rutronik
El interés por las herramientas inalámbricas alimentadas por batería continúa creciendo. A grandes rasgos, se pueden categorizar, por un lado, por el tipo de motor eléctrico – con o sin escobilla – y, por el otro, por su clase de tensión.
El tipo de motor tiene un impacto decisivo en los componentes electrónicos necesarios y el rendimiento final de la herramienta.
La clase de tensión determina el voltaje operativo del motor (de 3,6 a 120 V) y, por ende, directa o indirectamente la tensión de la batería de recarga y la capacidad asociada y el tamaño físico de la propia batería. También establece la potencia de la herramienta – desde productos DIY “pequeños” de 12 V (o menos), pasando por herramientas de categoría estándar de 18 V y llegando a modelos más grandes y potentes de 36 y 72 V, que pueden reemplazar a los equipos alimentados por combustión interna, y sierras de hasta 120 V. Cada una de estas categorías tiene diferentes requisitos de diseño en lo que se refiere a ergonomía, seguridad de batería, gestión térmica, controlador de motor y funciones adicionales como comunicación o seguridad.
Ambos criterios, tipo de motor y clase de tensión/potencia, derivan en el rendimiento de la herramienta como, por ejemplo, cuánto tiempo puede operar tras una recarga de batería. Los componentes del controlador para los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) deben estar perfectamente adaptados entre sí para garantizar un control orientado al campo (FOC) con una eficiencia comparativamente muy alta.
Las tendencias de mercado influyen en el diseño
Para poder asegurar unos productos competitivos, resulta importante tener en cuenta determinadas demandas del mercado además de los requisitos técnicos (Figura 1). Las tendencias actuales en herramientas eléctricas inalámbricas incluyen dispositivos con costes optimizados y un alto nivel de eficiencia que se puedan integrar en aplicaciones de Internet de las Cosa (IoT), así como el creciente uso de BLDC y la transición desde motores de combustión interna a motores eléctricos en, por ejemplo, motosierras. Como resultado, la prevención de la chatarra electrónica también se está volviendo cada vez más importante.
Aumento de la eficiencia energética
La vida útil puede aumentar mediante el uso de baterías de mayores dimensiones. No obstante, esto se traduce en un mayor peso y, posiblemente, en un dispositivo final más grande. Con especial énfasis en lo que respecta a la optimización de la ergonomía de la herramienta, es necesario contar con un controlador de motor que trabaje eficazmente con las restricciones de espacio.
Uso creciente de los motores BLDC
Los últimos avances tecnológicos han respaldado la llegada de motores sin escobilla eficientes. A pesar de que actualmente siguen siendo más costosos que los modelos comparables con escobilla, ofrecen muchas ventajas: no tienen el desgaste de la escobilla, no generan chispas, son más ligeros y silenciosos, permiten un control más preciso y consumen menos energía. Así pues, no parece raro que los motores BLDC sean cada vez más populares. Los expertos esperan que los motores sin escobilla se incorporen en dos de cada tres herramientas eléctricas inalámbricas en 2025.
Optimización de costes
La optimización de coste es una tendencia permanente en cualquier mercado. Pero cómo pueden cumplir los proveedores las expectativas de precio. Una forma es utilizar circuitos de alta eficiencia con menor autocalentamiento y menos pérdidas internas. Si fuera necesario, el tamaño y la capacidad del paquete de batería también pueden ser menores. Además, una capacidad de corriente superior de los semiconductores de potencia con un espacio de instalación más reducido puede conllevar una disminución en los precios. Por último, los diseños integrados contribuyen a reducir los costes de compra y logística.
Compatibles con IoT y más sostenibles
Cada vez más dispositivos cotidianos son capaces de recopilar y transmitir datos. Esto también se aplica a las herramientas eléctricas. Una herramienta eléctrica conectada en red no sólo ofrece la capacidad de localizar su ubicación, sino también de comprobar su historial de rendimiento y condición en todo momento. En el futuro, las herramientas podrán incluso adaptar automáticamente su par motor al tipo de al tipo de broca o cuchilla que se utiliza. Sin tener en cuenta los próximos desarrollos, la implementación de conectividad también es esencial para suministrar un producto competitivo.
Las herramientas alimentadas por batería son definitivamente más respetuosas con el medioambiente que aquellas con motores de combustión interna, ya que no funcionan con combustibles fósiles y resultan más eficientes. Pero qué sucede con la chatarra electrónica. Los equipos auxiliares innecesarios como los cargadores especiales son un buen ejemplo de chatarra electrónica. Con el objetivo de reducirla, varios países ya han introducido las correspondientes regulaciones como, por ejemplo, la obligatoriedad de cargadores universales.
Actualmente, los cargadores USB-C sólo pueden usarse en herramientas eléctricas con baja tensión (de hasta 20 V a 5 A); pero, en un futuro cercano, habrá una nueva clase de potencia de hasta 240 W con un máximo de 48 V a 5 A.
Componentes para herramientas competitivas
El catálogo de Infineon ofrece componentes adecuados para superar todos estos requisitos. Por ejemplo, sus MOSFETs resultan ideales para controladores de motor y cargadores. El tipo de MOSFET empleado – como sucede en cualquier aplicación – tiene un impacto directo en el rendimiento global del sistema. Este es el motivo por el que la selección de la tecnología correcta es algo esencial.
Para el inversor de controlador de motor, Infineon proporciona MOSFETs de baja tensión en varios encapsulados. Sus corrientes nominales elevadas permiten incrementar la capacidad de corriente. Además, los componentes resisten sobrecargas altas durante el arranque y el frenado y en caso de bloqueo del rotor.
Líder en su campo, la familia OptiMOS se caracteriza por RDSon ultrabaja, alta eficiencia y elevada densidad de potencia. Esto hace que sea perfecta para aquellas aplicaciones con alta frecuencia de conmutación.
Figura 1: Las tendencias de mercado establecen sus propios requisitos en el diseño de herramientas eléctricas inalámbricas.
Para diseños con baja frecuencia de conmutación y alta capacidad de corriente, la familia StrongIRFET-2 se convierte en la mejor elección. Ha sido diseñada pensando en las aplicaciones industriales más exigentes.
En lo que se refiere a las soluciones de carga, la gestión térmica es fundamental, especialmente para las herramientas de alto rendimiento, con el objetivo de garantizar unas condiciones operativas seguras y mantener los límites de temperatura del sistema.
En el lado de la alta tensión, esto se puede conseguir con la familia de MOSFET super–junction CoolMOS. Permite un nivel de potencia superior con la misma temperatura o una vida útil más larga con el mismo nivel de potencia, consecuencia de una menor temperatura de MOSFET. Para los cargadores, su diseño robusto y resistencia a la ESD, en combinación con bajas pérdidas de conmutación, son las grandes ventajas. Precisamente, las bajas pérdidas ayudan a aumentar la eficiencia con velocidades de conmutación más altas y, por ende, a reducir las inductancias.
Y, en el lado de la baja tensión, es decir, para el rectificador sincrónico (FET) y el interruptor de carga, tanto la familia OptiMOS como la familia y StrongIRFET-2 de Infineon son ideales.
