Alimentación de estaciones base de telecomunicaciones: el transformador de separación dentro del rectificador −48V

Este artículo está escrito para los ingenieros de alimentación, de componentes magnéticos y de compras que trabajan en los sistemas de alimentación de estaciones base de telecomunicaciones y centrales (central office). La alimentación de telecomunicaciones tiene una característica poco habitual en otras aplicaciones: la autonomía de respaldo está escrita de antemano en la normativa y en los requisitos del sector; no la elige el diseñador. Este «carril de requisitos» tan claro determina de principio a fin la forma de todo el sistema de alimentación en corriente continua de −48 V, y además coloca un transformador de separación de alta frecuencia dentro de cada rectificador (rectifier). El artículo parte de ese carril de requisitos, abre el rectificador de −48 V y explica por qué este transformador de separación es precisamente el terreno que corresponde al hilo de triple aislamiento (TIW, Triple Insulated Wire). Los valores de los productos DAH JIN son siempre «según el documento de aprobación».

1. La autonomía de respaldo es un «carril de requisitos» claro

En la mayoría de las aplicaciones primero hay que estimar «cuánto tiempo hay que aguantar»; en telecomunicaciones no: la autonomía de respaldo suele fijarla de antemano el regulador o los criterios de diseño del operador, y es un requisito al que se enfrenta el lado del cliente (el operador de telecomunicaciones), no algo que el proveedor del equipo o del hilo pueda modificar. Unos cuantos ejemplos públicos muestran lo claro que es este carril de requisitos:

• La FCC de Estados Unidos exigió en sus reglas «Ensuring Continuity of 911 Communications» de 2015 que los proveedores de servicio de voz residencial fijo permitieran a los abonados contratar una opción con 8 horas de respaldo en espera; después se amplió a una opción de 24 horas (desde el 2019-02-13).
• Según la importancia del nodo, los objetivos de diseño de los emplazamientos troncales son más largos: una central (central office) que atiende directamente a un centro de atención de llamadas de emergencia (PSAP) suele diseñarse para 24 horas a plena carga, y los emplazamientos críticos que alojan un selective router para 72 horas.
• Las estaciones base móviles tienen rangos típicos del sector que varían con la ubicación (aproximadamente 2–4 horas en zona urbana, 4–6 horas en zona suburbana y 6–8 horas en emplazamientos remotos).

Lo importante no es qué cifra aplica, sino esto: estas horas son requisitos duros, y el medio para alcanzarlas está prácticamente fijado: los rectificadores convierten la red de alterna en −48 V de continua, alimentan la carga y mantienen a la vez un banco de baterías completamente cargado; cuando falla la red, la batería sostiene el emplazamiento durante las horas exigidas. Todo el sistema de alimentación de −48 V existe, en esencia, para satisfacer este carril de requisitos de autonomía. Ese es también el punto de partida de la pregunta «¿dónde está el transformador de separación?». (Las autonomías de respaldo son hechos normativos y del sector del lado del cliente, no un compromiso de plazo ni una garantía de producto de DAH JIN.)

2. El interior del rectificador −48V: PFC → aislamiento de alta frecuencia → rectificación y filtrado

−48 V es el estándar de facto de la alimentación en continua de telecomunicaciones: ETSI EN 300 132-2 es la norma que define la interfaz de entrada de −48 V en continua (interface "A") de los equipos ICT/telecomunicaciones, con una tensión nominal de −48 V (algunos sistemas usan −54 V). Esta convención de tensión negativa tiene raíces históricas (cuatro baterías de 12 V en serie, y el positivo puesto a tierra ayuda a reducir la corrosión de los cables de cobre). El papel del rectificador es convertir la red de alterna en este bus de −48 V/−54 V estrechamente regulado; como describe un producto rectificador del sector, «convertir cualquier fuente AC en la corriente continua de −48 V que necesitan las estaciones base inalámbricas».

Un rectificador conmutado (switch-mode) se puede descomponer en varias etapas, y lo que realmente separa el lado AC del lado de −48 V es un transformador de separación de alta frecuencia que está en medio:

• Etapa de entrada AC-DC (PFC): la corrección del factor de potencia rectifica la red y la eleva a un bus de continua de alta tensión.
• Etapa inversora de alta frecuencia: trocea esa continua de alta tensión en alterna de alta frecuencia y la envía al transformador de separación.
• Transformador de separación: proporciona el aislamiento eléctrico entre primario y secundario; es la barrera de seguridad que separa la red peligrosa del lado de −48 V (conectado a las baterías, a la distribución y a todo lo que el personal de mantenimiento puede tocar).
• Rectificación y filtrado secundarios: rectifican y filtran de nuevo la alterna de alta frecuencia hasta obtener la salida regulada de −48 V.

Los diseños de rectificadores de terceros confirman este esqueleto: el material de formación de TI sobre rectificadores de telecomunicaciones, por ejemplo, muestra 1000 W desde entrada AC universal a 48 V de continua con PFC entrelazado y un puente completo con desplazamiento de fase (phase-shifted full bridge) como DC/DC; la literatura de patentes describe el rectificador AC-DC del mismo modo: «el PFC genera continua de alta tensión → el inversor genera alterna de alta frecuencia → se transfiere a través del transformador de separación → se rectifica y filtra para alimentar el bus de baterías de −48 V». Sean cuales sean los detalles de la topología, entre primario y secundario está este transformador de separación, y debe alcanzar el grado de aislamiento reforzado (Reinforced), porque lo que separa es la red capaz de electrocutar a una persona y el lado de −48 V que alimenta todo el emplazamiento.

3. El transformador de separación: el terreno que corresponde al hilo de triple aislamiento (TIW)

Para llevar este transformador de separación al aislamiento reforzado, el diseño tiene dos vías: una es añadir «cinta de margen (margin tape) + capas de barrera», lo que consume anchura del carrete (bobbin) y comprime el espacio de bobinado; la otra es usar directamente hilo de triple aislamiento. Ahí reside precisamente el valor del hilo de triple aislamiento: lleva en sí mismo tres capas de aislamiento independientes y con un solo hilo logra el aislamiento reforzado en el devanado, de modo que la línea de fuga (creepage) y la distancia de aislamiento (clearance) entre devanados prácticamente dejan de tener que considerarse; el devanado puede bobinarse hasta el borde y el transformador puede hacerse más pequeño y más denso. La práctica de diseño del sector lo dice directamente: al cambiar a hilo de triple aislamiento se pueden «evitar las cintas de margen», y «las especificaciones de línea de fuga y distancia de aislamiento entre devanados dejan de ser aplicables».

Este punto tiene un valor especial en los rectificadores de telecomunicaciones. Los módulos rectificadores priman la alta densidad de potencia y el intercambio en caliente (los módulos rectificadores de −48 V del sector alcanzan un rendimiento pico de alrededor del 96% y admiten hot insertion); reducir el transformador de separación permite meter más potencia en el mismo módulo o hacer el módulo más delgado. Por eso este transformador de separación del rectificador de −48 V es el punto donde el hilo de triple aislamiento encaja de verdad: a diferencia de algunas aplicaciones en las que «el devanado de potencia principal no se hace con TIW de un solo hilo», aquí lo que se busca es justamente su punto fuerte: un solo hilo que cruza la barrera de alta tensión y logra el aislamiento reforzado. En cuanto a la base normativa de seguridad correspondiente, IEC 62368-1 Annex J es el anexo que regula «el hilo de bobinado aislado utilizado como aislamiento (reforzado)»; el detalle de las cláusulas se deja ahí, y en la práctica rige el documento de aprobación.

La tabla siguiente contrasta lo que exige esta etapa con lo que ofrece el hilo de triple aislamiento (valores DAH JIN siempre según el documento de aprobación):

• Aislamiento reforzado primario/secundario (red ↔ lado de −48 V) — Lo que ofrece el hilo de triple aislamiento (TIW)：Tres capas de aislamiento independientes; un solo hilo logra el aislamiento Reinforced；Correspondencia DAH JIN (según el documento de aprobación)：Los cuatro tipos figuran en la evaluación IEC 62368-1 Annex J, Reinforced; condiciones según el documento de aprobación
• Ahorro de línea de fuga/distancia de aislamiento, bobinado hasta el borde, miniaturización del transformador — Lo que ofrece el hilo de triple aislamiento (TIW)：Línea de fuga/distancia de aislamiento entre devanados prácticamente no aplicables；Correspondencia DAH JIN (según el documento de aprobación)：Diámetro 0.10–1.00 mm (TLW-B7S es un conductor cableado de 7 hilos, hilo individual 0.10–0.30 mm)
• Aislamiento estable y certificable en funcionamiento a alta frecuencia — Lo que ofrece el hilo de triple aislamiento (TIW)：Evaluación de aislamiento reforzado en los sistemas de reconocimiento UL/VDE；Correspondencia DAH JIN (según el documento de aprobación)：Clase térmica 130(B); TLW-F es Class F (155 °C) y además UL 2353 Reinforced
• Una clase térmica acorde con la temperatura del punto caliente — Lo que ofrece el hilo de triple aislamiento (TIW)：Clases de resistencia térmica del material (B/F)；Correspondencia DAH JIN (según el documento de aprobación)：Al adoptarlo, el documento de aprobación define el tipo y el rango de diámetros

4. Condiciones de primera mano citables de DAH JIN y punto de partida de la selección (según el documento de aprobación)

Al seleccionar hilo de triple aislamiento para este transformador de separación de rectificador, lo que DAH JIN puede ofrecer es un conjunto de condiciones de certificación fijas, no la afirmación de estar «ya incorporado en tal rectificador». Los cuatro tipos que DAH JIN ofrece al mercado son TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S y TLW-F; todos figuran en el alcance de evaluación IEC 62368-1 Annex J de VDE 40008834 Anlage 200 y están evaluados en grado reforzado (Reinforced); la tensión de trabajo, la tensión de pico y la frecuencia de ensayo concretas son siempre según el documento de aprobación y el certificado VDE, y no se repiten aquí. Diámetro 0.10–1.00 mm (TLW-B7S es un conductor cableado de 7 hilos, hilo individual 0.10–0.30 mm), clase térmica 130(B); TLW-F es Class F (155 °C) y además UL 2353 Reinforced. Si los equipos adyacentes al emplazamiento implican requisitos de aislamiento de ámbito médico, las condiciones de Annex L (IEC 60601-1) para 2 MOOP/2 MOPP están vinculadas únicamente a TLW-BB y TLW-B7S, con valores igualmente según el documento de aprobación.

Conviene tener en cuenta que DAH JIN es fabricante (no comercializador), con fábrica propia en Guiren, Tainan, Taiwán; el lugar de fabricación consignado en el expediente UL es esta fábrica (fabricado en Taiwán). Al adoptarlo, el documento de aprobación define el tipo y el rango de diámetros; si se requiere el registro como sistema de aislamiento eléctrico (EIS) (DJ-130, UL E318181, System Class 130(B), componentes TLW-BB y TLW-B7S), se necesita además un Authorization Letter (carta de autorización).

El primer paso de la selección es fijar la clase térmica y el tipo: para la separación y aplicabilidad entre la clase B (130 °C) y la clase F (155 °C), véase la guía de selección de hilo de triple aislamiento; y como «clase térmica del hilo» y «clase térmica del sistema de aislamiento/producto terminado» pertenecen a registros distintos que no pueden sustituirse entre sí, véase Clase térmica del hilo y clase térmica del sistema de aislamiento. Tome la tensión de trabajo real, el pico, la frecuencia de ensayo y la temperatura del punto caliente del transformador de separación del rectificador y contrástelos con las condiciones de Annex J recogidas en el documento de aprobación: si están dentro del rango, el hilo puede seleccionarse; si cualquiera de ellos lo supera, se requiere una evaluación aparte.