En líneas de producción modernas, la gran cantidad de sensores, actuadores y módulos PLC requiere suministros de energía que sean compactos y altamente eficientes. En este artículo, obtenga más información sobre la tendencia en la automatización de fábricas inteligentes de alimentar módulos de procesamiento distribuidos con reguladores de tensión de punto de carga (POL, por sus siglas en inglés) pequeños.
La visión de fábrica inteligente es una realidad en muchas industrias, gracias a los avances en automatización e intercambio de datos en las tecnologías de fabricación. Las fábricas están llenas de controladores, sensores, E/S y actuadores. Un controlador puede ser un controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés, Figura 1), controlador de motor o movimiento, o un sistema de control distribuido (DCS, por sus siglas en inglés) que use procesadores y microcontroladores avanzados. Los sensores pueden ser digitales o analógicos, y se pueden usar para detectar proximidad, visión, peso o temperatura. Los actuadores pueden ser robots, válvulas, motores, control numérico computarizado (CNC, por sus siglas en inglés), contactores y otros mecanismos móviles. Las entradas y salidas (E/S) pueden ser digitales o analógicas, o incluso E/S universales que conectan sensores y actuadores con controladores.
Figura 1. Módulo controlador lógico programable.
La Figura 2 muestra un PLC o una computadora industrial que monitorea y controla un solo proceso de fabricación. Incluye un procesador, módulos de E/S, memoria o programación, y una fuente de alimentación. El bus de campo de 24 V se reduce a 5 V con el convertidor de retorno, una arquitectura basada en transformador que aisla el módulo PLC del exigente entorno eléctrico industrial. El regulador de tensión POL convierte la salida de retorno al riel de tensión necesario del PLC. Los PLC y otros sistemas de control se orquestan con paquetes de software como SCADA (control de supervisión y adquisición de datos) para monitorear y controlar varias interfaces y dispositivos periféricos.
Figura 2. Módulo controlador lógico programable.
El PLC recibe entradas de los sensores en la fábrica, las procesa de manera local e impulsa los actuadores adecuados. Los sensores, E/S y actuadores de hoy en día están equipados con procesadores internos que toman decisiones simples de manera local sin la necesidad de escalarlas al controlador, lo que mejora el rendimiento. A menos que se deban considerar varios dispositivos, el PLC ni siquiera participa. Al conectar los datos que generan todos los equipos con la nube, se pueden realizar análisis en tiempo real mediante el uso de los avances en IA para determinar la medida que se debe tomar.
El desafío
La proliferación de procesadores e interfaces de conectividad en cada controlador, sensor, E/S y actuador en la fábrica, fija nuevos requisitos en el hardware del sistema: menor tamaño de los componentes para instalar elementos electrónicos adicionales en el mismo chasis, mejor eficiencia energética para desempeñarse dentro del mismo presupuesto térmico, o de uno inferior, y mayor seguridad eléctrica y mecánica, y confiabilidad para reducir las interrupciones.
Un enfoque de módulo para un regulador de tensión que alimente el PLC, donde el inductor se monta de manera vertical en la parte superior del IC, reduce la lista de materiales para la solución, su tamaño y mejora la confiabilidad y el tiempo de salida al mercado. El POL del módulo de regulador de tensión también debe ser eficiente para reducir la generación de calor, además de mejorar la confiabilidad del sistema.
En esta solución de diseño, revisamos un enfoque de módulo típico para alimentar el PLC y presentar una nueva solución que sea rentable y superior en eficiencia y tamaño.
Módulo POL típico
Un diseño de PCB de un módulo de regulador de conmutación síncrono 5VIN de 1 A típico se muestra en la Figura 3. El confinamiento del inductor tiene como consecuencia una reducción del tamaño de 16,6 mm2.
Figura 3. Área neta de solución típica de 16,6 mm2 para un módulo de regulador de conmutación.
Módulo POL uSLIC
El módulo uSLICTM que aparece en la Figura 4 admite una corriente de carga de hasta 1 A y permite el uso de capacitores de entrada y salida pequeños de bajo costo. Un módulo de tamaño reducido (2,6 mm x 2,1 mm2 versus 2,6 x 3 mm2) y una lista de materiales reducida (5 componentes versus 4 y en un tamaño menor) tiene como consecuencia una solución rentable y un área neta de espacio de 11,8 mm2 o 29 % menor que la solución típica.
Figura 4. Área neta de solución mejorada de 11,8 mm2 mediante el uso de un módulo POL uSLIC.
La tensión de salida se puede ajustar de 0,8 V a 3,3 V. El módulo reduce significativamente la complejidad del diseño, los riesgos de fabricación y ofrece una solución de suministro de energía verdaderamente lista para usar, lo que reduce el tiempo de salida al mercado.
Ventaja de eficiencia
La Figura 5 compara la eficiencia de las dos soluciones. La solución genérica (curva roja) está mal equipada a una carca ligera, cuando la eficiencia baja mucho, y a carga completa es un 3 % insuficiente.
El módulo uSLIC tiene una alta eficiencia en todo el rango operativo (curva verde), lo que lo hace ideal para aplicaciones de alimentación en línea, así como para aplicaciones que cuenten con poca autonomía energética que funcionen a batería.
Figura 5. Comparación de eficiencia entre el módulo uSLIC y la competencia.
Conclusión
La fábrica inteligente confía en una gran cantidad de sensores y actuadores que se instalan en toda la fábrica. Los módulos PLC procesan la información alimentados por los POL del regulador de tensión. Un enfoque modular del POL reduce la lista de materiales que se requieren para el sistema, y mejora la confiabilidad y el tiempo de salida al mercado. En esta solución de diseño, revisamos un POL típico y lo comparamos con un enfoque novedoso que produce un módulo más pequeño, de mayor eficiencia y más rentable.