Los adaptadores de corriente a menudo tienen un papel secundario y de baja prioridad al diseñar un nuevo producto. Sin embargo, un sistema solo es tan bueno como su eslabón más débil y el adaptador externo o fuente de alimentación externa ha de ofrecer los mismos niveles de calidad y prestaciones que el producto final para evitar que el cliente se sienta insatisfecho. El adaptador no solo suministra voltios y amperios, sino que también debe cumplir los estándares internacionales establecidos de seguridad y compatibilidad electromagnética, que pueden variar dependiendo de la aplicación final y de la zona geográfica. Otros parámetros como eficiencia, regulación, potencia máxima de salida, retención por fallo de CA, temperatura, clasificación para entrada de humedad, pérdidas sin carga/en espera y estética, entre otros, también pueden ser primordiales para la usabilidad y el funcionamiento correcto del equipo final.
Este artículo explica las principales especificaciones junto con otras no tan conocidas de un adaptador de corriente y por qué puede haber una importante variación en tamaño y coste entre modelos que por lo demás parecen tener valores similares. Se explican símbolos que en ocasiones parecen confusos, así como algunos errores a evitar cuando se escoge un adaptador. Se ofrecen ejemplos sobre modelos disponibles con el fin de demostrar los diseños más avanzados y las ventajas para el usuario.
Requisitos de alimentación del sistema
Cuando empieza a tomar forma el diseño de un nuevo producto surgen los requisitos de alimentación del sistema. Una parte de la toma de decisiones se puede centrar en añadir una fuente de alimentación discreta o modular al producto o bien en recurrir a una fuente de alimentación externa. El tipo de aplicación, las dimensiones físicas y la potencia total requerida constituirán los criterios de selección. Si bien ambas opciones son viables, una fuente de alimentación externa suele ofrecer más flexibilidad, especialmente si el producto se va a utilizar en todo el mundo. No obstante, si bien puede parecer una elección prudente, la selección de la fuente externa equivocada puede afectar a la fiabilidad del producto que alimenta. Esto no solo puede ocasionar molestias y ser frustrante para los clientes, sino que a largo plazo puede dañar la imagen de marca y la reputación del fabricante del producto.
Criterios iniciales
Los requisitos de ingeniería establecen la tensión y la corriente que precisa el producto; estos son los criterios iniciales a partir de los cuales se selecciona la fuente de alimentación. En la mayoría de los casos, el producto necesitará una sola tensión CC de entrada, por ejemplo 12 VCC, y conectarse a la red de tensión CA. La corriente máxima requerida por el producto debería incluir todos los periféricos conectados o los motores que se puedan emplear y que sean alimentados por el producto durante su uso. Por ejemplo, si la corriente máxima requerida es de 2 A, la potencia total de salida de la fuente de alimentación será de 24 W. La fuente de alimentación ha de tener en cuenta la potencia de salida con la máxima carga y ha de funcionar de forma fiable, continua y sin sobrecalentarse. Al seleccionar una fuente de alimentación externa para estos parámetros, el ingeniero se topará con otros factores a tener en cuenta que aumentarán el grado de complejidad del proceso de selección.
A grandes rasgos, estos factores se pueden clasificar en tres categorías: mecánicos, eléctricos, y estándares de seguridad así como su cumplimiento.
Mecánicos
Dependiendo de la potencia requerida, es posible que se pueda escoger entre una fuente de alimentación externa tipo sobremesa o enchufable a la pared que se conecta directamente a la toma de corriente. Las fuentes o adaptadores de corriente enchufables a la pared suelen suministrar una potencia de salida del orden de 3 W a 45 W, son prácticas y de pequeño tamaño. La salida puede pueda estar conectada directamente o bien, para tensiones estándar como la salida USB de 5 VCC, se suministra mediante una toma de corriente estándar. ¿Si la salida está cableada, la longitud será suficiente para llegar hasta el producto en la mayoría de los usos que se le vaya a dar? Además, ¿qué tipo de toma de corriente CC se ha previsto para el producto, y está disponible para el enchufe seleccionado? La ficha técnica del fabricante debería mostrar las clavijas de CC disponibles, que suelen ser de tipo estándar (rectas o en ángulo recto), el conector de alimentación USB y el conector EIAJ.
¿Hay una opción de bloqueo disponible o la toma de corriente es personalizada, y si es así, el fabricante puede conectar el enchufe correspondiente o suministrar el cable de salida pelado y estañado? No hay que olvidarse de comprobar la polaridad de la clavija, dónde se colocará el zócalo dentro del producto y cómo se sujetará. La entrada de CA de un adaptador de pared también ofrece varias opciones. En primer lugar, si el producto se va a utilizar en todo el mundo, la disponibilidad de configuraciones intercambiables del enchufe, bien sea de dos o tres clavijas, facilitan el encapsulado del producto. La patilla de tierra/masa de un adaptador de pared no se suele utilizar y la salida de CC flota respecto a tierra; este tipo de fuente se denomina de Clase II. La web de la IEC proporciona información práctica sobre los diferentes tipos de enchufes. También se debe confirmar el rango de tensión CA de entrada, aunque la mayoría de las fuentes de pared y sobremesa suministrados por los fabricantes de renombre ofrecen el rango universal de tensión CA de 90 a 264 VCA y 50/60 Hz.
Figura 1 – Clavijas de CC disponibles habitualmente para una fuente de alimentación externa de sobremesa (Fuente: CUI)
Las fuentes de alimentación de sobremesa suelen ofrecer un conjunto de opciones mecánicas similares para el conector de entrada y salida. Las fuentes de sobremesa no suelen tener limitaciones de tipo físico como sus homólogas de pared, por lo que suelen ofrecer una potencia de hasta 250 W, como por ejemplo la serie SDI250-U de CUI. La entrada será generalmente una clavija/enchufe estándar IEC320/C14, pero es preciso comprobar que haya cables de alimentación disponibles para todos los tipos de enchufes en los diferentes países y regiones donde se pueda utilizar el producto. Dependiendo de la mayor potencia de salida y de la necesidad de suministrar cables de alimentación opcionales para un determinado país, las fuentes de alimentación de sobremesa pueden añadir aspectos a valorar relacionados con el tamaño y el peso a los criterios de encapsulado del producto.
La construcción mecánica de la fuente de alimentación también influirá sobre el entorno de aplicación del producto, en el cual las condiciones ambientales, entre otras, son cruciales. Entre estos factores pueden estar la entrada de humedad y la temperatura de trabajo, que son contemplados más adelante en la sección dedicada a los estándares.
Una nota final sobre posibles maneras de personalizar la fuente de alimentación. Todos conocemos la estructura de plástico negro utilizada en las fuentes de alimentación externas, pero el diseño de los productos se ha ido haciendo cada vez más refinado y esmerado, incluso al nivel del adaptador. Hay que pensar en cómo encajará la fuente de alimentación con la estética del producto. ¿Es posible imprimir el logotipo o la marca de su empresa en la carcasa, que el adaptador tenga los colores de su empresa e incluso que un encapsulado especial? Desde el punto de vista del consumidor, pequeños detalles como estos ofrecen efecto muy favorable sobre los aspectos visuales de su experiencia en general al abrir el embalaje del producto por primera vez.
Especificaciones eléctricas
Además de la tensión, corriente y frecuencia de entrada, ya mencionadas, es preciso comprobar algunos parámetros eléctricos de carácter crítico. Desde el punto de vista de la entrada, en la ficha técnica debe aparecer la corriente de irrupción de suministro, es decir, la corriente de pico instantánea al “arrancar en frío”, que puede provocar el disparo innecesario del disyuntor de línea del cliente. También es importante comprobar que la corriente de fuga esté dentro de las especificaciones (ver apartado de estándares). La salida de CC exige una inspección detallada; la regulación de la carga, el rizado y el ruido son críticos. ¿La fuente de alimentación puede mantener la tensión de salida dentro de un rango aceptable para todas las condiciones de carga y todos los rangos de la tensión CA de entrada? Una regulación del +/- 5% suele ser adecuada, lo cual significa mantener una salida de 5 V nominales en el rango de 4,75 – 5,5 VCC. Además, ¿el funcionamiento de la fuente de alimentación necesita una carga mínima? El rizado y el ruido son criterios especialmente importantes para dispositivos semiconductores sensibles como FPGA y microcontroladores, y es posible que un alto nivel de ruido exija añadir componentes de filtrado dentro de su producto con el fin de lograr un funcionamiento fiable. Por ejemplo, la fuente de 5 VCC SDM36-U de CUI se caracteriza por un nivel máximo de rizado y ruido de 80 mV p-p.
Figura 2 – Este gráfico indica la regulación para diferentes condiciones de carga y tensión de entrada (Fuente: CUI)
Figura 3 – Evolución de los estándares de eficiencia energética en el mundo
(Fuente: CUI)
La Figura 4 muestra la eficiencia media mínima y el consumo máximo sin carga para una fuente de alimentación única con una baja tensión de salida. Por comparación, el European Ecodesign (2019/1782) incluye asimismo una carga baja que exige al fabricante proporcionar la eficiencia para el 10% de la carga máxima establecida.
Figura 4 – Requisitos de DoE Nivel VI para fuentes de alimentación CA/CC externas (Fuente: CUI)
Los avances que han experimentado recientemente las tecnologías de proceso de semiconductores utilizadas en los transistores de conmutación de convertidores de potencia mejoran la eficiencia, reducen el peso y disminuyen el tamaño de las fuentes de alimentación externas. Por ejemplo, la fuente externa de sobremesa SDI220G-U de CUI emplea semiconductores de nitruro de galio (GaN) de gran salto de banda (bandgap) para aumentar la eficiencia hasta el 96 %, reducir el peso un 32 % y disminuir el tamaño total en más de la mitad si se compara con los modelos anteriores.
Además de los requisitos citados sobre seguridad y eficiencia energética, las fuentes de alimentación también necesitan cumplir los estándares de compatibilidad electromagnética para ruido conducido y radiado, entre los cuales los más citados son FCC 20870, CISPR22 e IEC 61204-3. También vale la pena destacar que para aplicaciones médicas, la 3ª edición de IEC -1 incorpora criterios de inmunidad electromagnética que se detallan en el estándar IEC 60601-1-2 que se encuentra en su 4ª edición.
Conclusión
Los adaptadores externos de corriente CA/CC de sobremesa y enchufables a la pared ofrecen una forma práctica de alimentar una amplia variedad de equipos de consumo, sanitarios e industriales. Además de los requisitos esenciales de tensión y corriente, así como de su aspecto convencional, los ingenieros deben prestar atención a las especificaciones no tan obvias del adaptador mediante una lectura detenida de la ficha técnica del adaptador y cerciorándose de que se ajustan por completo a los requisitos del producto. Los adaptadores de corriente externos pueden experimentar variaciones significativas de tamaño, peso y coste, pese a tener aparentemente unos valores similares.
