Perfiles da electrónica de potencia: o enxeñeiro de Hardware

O por que o hardware é interesante

Dedicarse á electrónica de potencia na era da IA é como fabricar pinceis no Renacemento. Cos nosos convertidores e fontes de alimentación darémoslle á Intelixencia Artificial a enerxía que precisa, como xa lla damos a tantas cousas para que outros fagan ás súas obras de arte. Dentro da electrónica de potencia, o control w o firmware cada vez son máis protagonistas e sofisticados, de modo que iso do hardware pode parecer pouco creativo. Parece o últomo do último, non?

Con todo, o hardware de potencia tamén é moi interesante. Pero non porque a tecnoloxía avance no seu campo, que tamén, senón sobre todo porque o enxeñeiro de Hardware está en contacto directo coa realidade, que é máis creativa que o mellor artista. A electrónica case nunca é moi difícil, pero sempre é complexa, porque involucra moitos compoñentes e variables, que encima se comunican e monitorizan. Ademais, na electrónica de potencia resulta máis difícil modularizar, é dicir, crear etapas totalmente independentes e desacopladas entre si. Poderían afectarse as unhas ás outras: quentarse, provocarse interferencias, sobrecargas, modos de fallo difíciles de prever, ou non deixarse espazo, mesmo tocarse e derivarse ou danar a súa integridade mecánica durante un curtocircuíto ou por unha mala instalación. Así que, xa só por mera combinatoria, hai moitas formas de que a túa electrónica de potencia funcione mal. E a realidade, non o dubides, sempre é consciente de todas elas.

En cada proxecto vai escoller algunhas, as máis instructivas, para demostrar que non sabes deseñar. A graza da validación dun convertidor consiste entón en recoñecelo a tempo e corrixilas. Por iso, o deseñador de hardware aprende moito máis das cousas inesperadas que lle pasan no laboratorio e en campo que do mellor artigo de investigación ou o último modelo de semiconductor. Que un convertidor salga bo depende do traballo que lle poña, pero tamén desa actitude e das bondades do azar, igual que sucede cunha gran obra de arte. Porque, sinceramente, moitas veces os de hardware non temos nin idea de por que o noso hardware funciona. Adoitamos ver multitude de formas de que non o fixese, só que por sorte non se materializan. Os demais asustariádesvos se soubésedes a cantidade de cousas que se nos escapan, as solucións que improvisamos e as que se nos ocorren por casualidade ou a partir dun erro.

Supoño que aos pintores pásalles o mesmo, e o que ao final parece unha xenialidade empeza sendo un borrón, que logo a paisaxe axuda a corrixir. O traballo dun enxeñeiro de deseño nunca é de sota, cabalo e rei, pero supoño que algúns se poden fiar un pouco máis de normativas, guías de deseño e modelos teóricos de cálculo e simulación. Son como un pintor de xardíns ingleses, realistas pero pacíficos. O electrónico de potencia pinta xunglas: o de menos é o cadro, o primeiro o leopardo que ten a dous metros. O erro de deseño, vamos.

Sempre axexan moitos, pero non se pode queixar porque a realidade case nunca é tan cruel: adoita mover un pouco as follas para que se dea conta, se está atento. Hai anos, un deseñador curtido en mil batallas díxome algo que se me quedou gravado: cando no teu prototipo vexas algunha anomalía que non saibas identificar, para e aproveita para estudala; se deixas pasar esa oportunidade, aparecerá máis adiante…cando teñas moitas unidades en campo. Por iso, en electrónica de potencia o enxeñeiro ten que estar alerta e pasar moitas horas probando o convertidor que está a desenvolver. Debería acampar á beira, no banco de probas.

Un enxeñeiro de Firmware que traballase cos mesmos micros desde hai 30 anos non o tería fácil para adaptarse ás últimas plataformas de control. Un deseñador de electrónica dixital dos 90 tamén as pasaría canutas ata poder desenvolver buses de alta velocidade como os actuais. Con todo, a un enxeñeiro de Hardware de Potencia desfasado custaríalle comparativamente menos pasar de deseñar con tiristores a facelo cos últimos semiconductores. Hai máis garantías de que consiga adaptarse e facelo igual de ben. Do mesmo xeito, o deseñador do cargador do teu móbil podería pasarse a desenvolver convertidores de megawatts, ou ao revés. Non estará ao día nin dos compoñentes e a súa física, nin das topoloxías, solucións e criterios típicos de deseño, nin da instrumentación, nin da aplicación final e as súas trampas. Terá moito que aprender, e non podería liderar un deseño novo ata despois de anos, pero o máis importante xa o posuiría: o costume de lidar coa realidade física e as súas ocorrencias. A física cambia coa escala, pero as súas teimas non.

O martelo non traballa polo ferreiro

Por outra banda, un dos perigos da tecnoloxía é que nos poña as cousas demasiado fáciles. Que as ferramentas nos fagan o traballo, pensen por nós e conformémonos, crendo que todo funciona cando non o fai. Por algún motivo, en electrónica de potencia iso non ocorre. O normal é que as medidas che saian mal, ou que teñas motivos para dubidar delas. Aos modelos de simulación sempre lles falta algo, máis aínda se pretendes que cho resolvan todo nun problema de hardware. E o método de cálculo máis importante é a regra de tres. Ao final, os cálculos sofisticados e as simulacións sexan tipo Simulink, Spice / PLECS, ou FEM, valen en primeiro lugar para alimentar a intuición, que é o que logo usamos para dar por bos os seus resultados. Esas simulacións e cálculos fanse con modelos simplificados do sistema real, pero é que para simplificar a realidade hai que entendela intuitivamente. Ningunha ferramenta vai aforrarche ese esforzo, que é iterativo:

Cando pasamos ao prototipo é para engadir as medidas ao bucle e iterar de novo: medidas > intuición > cálculo > simulación > redeseño > medidas >…

De feito, se o prototipo funciona ben á primeira, é mala sinal. Iso é que non miraches o suficiente, e fallará máis adiante, cando haxa moitos equipos despregados en campo.

Outro feedback da realidade: o ego pisoteado

Todo o que se dedica á enxeñería comete erros e sofre reveses. Pero, fronte a outras áreas, a electrónica de potencia ten algo moi especial: lévache a contraria máis rápido. Ademais, adóitao facer en voz alta e en público. Igual que no resto da electrónica, é comparativamente sinxelo facerche unha montaxe para comprobar moitas das túas ideas. De feito, podes aprender en casa con proxectos económicos e variados. Pero en potencia, se te equivocaches algo vai facer cousas moi raras, queimarse ou mesmo pegar un petardazo. Dende logo non adoita ser tan grave como que se te caia unha ponte, pero todo o mundo vai decatar. A diario, a electrónica de potencia déixate claro que non es tan listo como pensabas. É un feedback implacable que te chega continuamente. Pero xusto iso é o que te mantén esperto, tentando mellorar o que fixeches mal… en canto pasa o desgusto. É un filtro estupendo para o ego desmedido. Talvez por iso na profesión coñezo pouca xente difícil, vamos chamala.

Nos momentos nos que aparecen erros de deseño graves nun proxecto, contar con bos compañeiros é crucial para recibir apoio e resolver a situación. Van importar moi pouco as bobadas tales como quedar mal por equivocarte, ou non ter razón, ou que os teus compañeiros te suxiran solucións mellores que a túa. Ademais, unhas veces axudarante a ti, pero outras ti a eles. En lugar de velos como unha ameaza, acabas agradecendo traballar con xente canto máis competente, mellor.

A trampa dos detalles

Nunha empresa todos temos ideas e proveedores, comezando polo das cadeiras ou os cadernos. Temos que prestar atención aos detalles, e cometemos erros, ás veces con consecuencias sen calcular. O deseñador dun convertidor tense que involucrar moito cos seus, porque a electrónica exixe atención aos pormenores. O deseñador de potencia é como o responsable dunha empresa na que se cuida moito cada detalle. Ao final, todo funciona ben grazas a ese ingrediente inexplicable que aparece cando, entre todosm fanse as cousas con dedicación.

Con todo, como me ensinou un gran mestre industrial, o mellor é inimigo do bo. Para facer o mellor equipo hai que dar pasos curtos e realistas. De feito, só chegará despois de anos de proxectos e versións. Por iso, o enxeñeiro de hardware ten que saber renunciar á perfección continuamente. Sempre pode seguir dándolle voltas a cada detalle, e sempre existirá algunha outra opción aínda mellor, pero ten que tomar decisións de deseño e avanzar. É mellor unha idea regular ben implementada que unha idea boa implementada regular. Por iso ten que destinar tantas horas do tempo dispoñible a facer probas e puír os erros que importan, desde os evidentes ata os que se esconden. Pero non se pode empeñar en corrixir todos os erros que se poida imaxinar: ten que intuír cales van aparecer na realidade, prestar atención porque aparecerán outros, e non perseguir o resto. Se as follas móvense adoita haber un leopardo, pero as follas non sempre se moveron, aínda que non o parecese. Tampouco pode empeñarse en impoñer as súas ideas, por boas que sexan, nin en entender ata a última sutileza, como o efecto físico de quenda tan curiosa, pero nada relevante para a aplicación ou a topoloxía. A electrónica deséñase con caixas negras, pero en electrónica de potencia as caixas son grises, e non se pode perder un tempo que non se ten tratando de aclaralas todas.

Moitas veces a idea, o deseño e os compoñentes son estupendos, pero sinxelamente non valen porque non se puíron. Outras veces ningunha das tres cosas é nada sobresaliente, e con todo resolven a papeleta. Funcionan aceptablemente para o seu propósito, porque de partida non eran unha xenialidade, pero os erros importantes corrixíronse e o resto non dan problemas. Non sempre sabemos do todo por que hai fallos de deseño que logo nunca aparecen. Non se pode calcular, como moito tomar nota. Por algún motivo, co hardware ocorre o mesmo que coas persoas e as organizacións: un deseño non funciona ben cando non ten erros, senón cando recibiu suficiente agarimo.

Aprendiz de todo, mestre de nada

En electrónica de potencia, o deseñador de hardware é ante todo un ignorante alerta. Alerta por se as follas móvense, xa o dixemos. Pero tamén ignorante, porque ten que saber un pouco sobre moitas cousas, o suficiente como para estar ao día e escoitar aos expertos en cada unha. O seu traballo consiste en usar uns coñecementos limitados para traballar con cada provedor de compoñentes, explicarlles aos seus especialistas o que necesita, e darse conta de se entenderon mal ou mesmo se equivocan. O coñecemento nin o é todo nin é un fin en si mesmo, pero coma se o fose. O deseñador ten que querer sabelo todo.

Vou facer unha listaxe de coñecementos:

– Semiconductores de potencia e drivers

– Compoñentes pasivos de potencia: inductancias, transformadores, condensadores, resistencias… – Tarxetería e electrónica analóxica, industrial e dixital

– Sensores de tensión, corrente, temperatura, presión…

– Deseño eléctrico: proteccións, aparamenta, cables e pletinas, paneis e armarios eléctricos…

– Compatibilidade Electromagnética

– Acondicionamento térmico e climático

– Deseño do layout mecánico

– Análise de fallos

– Traballo de laboratorio, instrumentación de medida e ferramentas

– “Cultura xeral” técnica e científica: máquinas, instalacións e redes eléctricas, sistemas de control, baterías, RF, industrialización, nocións de firmware, física, química…

– Aplicacións da electrónica de potencia: equipos e parques fotovoltaicos, eólicos, automoción, ferrocarril…

De todos os coñecementos da lista, ningún está de máis para o enxeñeiro de hardware de electrónica de potencia. Todos os días vai ir saltando duns a outros, e vaille tocar estudarse moitos de novo para lembralos, poñerse ao día ou non facer demasiado o ridículo. O bo é que a curva de aprendizaxe é exponencial: ao principio con pouco esforzo aprendes ou lembras moito, a menos que se che dea mal ou non atopes a información. Pero a partir dun nivel nunha materia é cando empezas a relacionar as ideas dentro dela, e entón arrinca outra curva, a dunha comprensión máis profunda. Ata ese momento en realidade só repetiras como un papagaio as ideas que che contaban, crendo entendelas. Lamentablemente, para o pobre enxeñeiro de Hardware todo adoita quedar na fase de flirteo: pode gozar da primeira curva, pero case nunca sobe pola segunda.

Con todo, para dedicarse ao hardware é imprescindible que, ademais de saber un pouco sobre cada unha desas áreas, polo menos unha delas debe dárselle moi ben, aínda que nunca vai saber tanto como os especialistas. O motivo, claro, é que eles non son da súa empresa, e non poden facerlle todo o traballo. De feito, como xa dixemos o seu consiste en relacionar ben áreas diferentes para que todo encaixe no deseño final.

Perfís variados

O problema do anterior é que resulta obviamente imposible ser moi bo en todo. Por iso, dentro dunha empresa de desenvolvemento de convertidores ten que haber outros deseñadores de hardware aos que xusto se lles dean moi ben as áreas nas que un fraquea. Ademais, xa falamos da importancia de ter moitos ollos dedicados a detectar erros durante un desenvolvemento. Eses ollos van ser de hardware, pero tamén de validación, de control ou calquera outra especialidade. En electrónica de potencia, “sinerxia” e “diversidade” non son só palabras bonitas: igual que o saber suma, tamén o fai o traballo con persoas de distintos perfís, habilidades e experiencias. Suma cando menos o esperas, mesmo sen darte conta. Moitas ideas aparecen por imitación inconsciente de algo que alguén te contou ou que viches noutro sitio, nalgún cacharro que se cadra nin sequera tiña que ver cun convertidor. O lugar máis importante dunha empresa de enxeñería é a máquina de café, e se é de potencia, máis aínda. Ao seu ao redor escóitanse debates e anécdotas técnicas e persoais coa casuística máis variada. Isto sucede porque os intereses profesionais e persoais dos deseñadores adoitan ser moi variados. Dentro dos de hardware eu coñecinos con todo tipo de afeccións e formas de ser:

– Un facía aeromodelismo e sempre levaba un helicóptero no maleteiro.

– Outro trasteaba co coche e facíalle tuning.

– Outro fixo un globo aerostático do que nunca máis se soubo despois de lanzalo.

– Uns son moi académicos, outros nunca len un paper.

– Cando estudaban, uns eran moi empollones e outros aprobaban raspado.

– Eu traballei con dous enxeñeiros de hardware que primeiro fixeron FP e máis adiante foron á universidade. Iso dáballes moitas táboas.

– Algúns somos moi “de ciencias” e necesitamos entendelo todo. Outros son moi enxeñerís: saben cal é a solución cara á que temos que ir mesmo sen entendela ao detalle.

– Algúns pensamos en abstracto ou vemos mellor “o invisible”: os campos eléctricos, magnéticos e electromagnéticos, as correntes parásitas, talvez as presións nun circuíto de refrixeración, ou cara a onde van o aire e a calor… Outros son bos con “o visible”: intúen ben onde poñer cada compoñente dentro do convertidor, ou como integrar este no sistema final.

– Saiban máis ou saiban menos, sexan conscientes ou non, a todos encántalles a física. A electrónica de potencia é facer tuning coa física e vela en acción diante os teus ollos.

– Uns dan toda a pinta de “frikis”, outros parecen persoas normais.

– Todos oímos iso de “hai que saber ou ter o teléfono do que sabe”. En electrónica de potencia todos temos os teléfonos.

– Uns coñecen moi ben para que vale o convertidor que están a facer, outros só se fixan nas súas tripas. Todos o pasan igual de ben.

– Hainos moi manitas e hainos moi manazas, pero a todos encántalle cacharrear no traballo. A algúns tamén na casa. Dá igual que non consiga arranxala: para o enxeñeiro de hardware unha lavadora rota é unha oportunidade. O luns irá ao traballo sucio e empapado, pero con máis culturilla técnica.

– A pesar de todo, o enxeñeiro de hardware é un pouco divo. Alá as amañen logo os deseñadores mecánicos para situar os seus compoñentes e os do firmware para programar as súas ocorrencias.

Entre os deseñadores é moi importante levarse ben, para compartir o que sabe cada un, cederlle a prioridade a quen máis convén para o proxecto, e para non peñorarte en impor esa idea xenial que se te ocorreu a ti pero que, síntoo, non vai funcionar. Por iso, montar un bo equipo de desenvolvemento de convertidores é difícil, e non só pola escaseza actual de perfís profesionais en cada especialidade da electrónica de potencia. É todo un reto para Recursos Humanos, que ten que lidar con tipos a cal máis diferente. Non poden ser todos iguais, nin en habilidades nin en forma de ser. Iso sería un desastre. É como recrutar para un barco pirata: uns teñen que apañarse coa espada e outros coas velas. E que ningún salga correndo co botín.

Todo o mundo é o cliente

O hardware so é o comezo: a potencia sen control non vale de nada, rezaba fai anos un anuncio de pneumáticos. Para acadar as prestación requeridas, o hardware deséñase ao redor do que o hardware pode soportar. Ademais, é necesario o traballo con todos os demais equipos de desenvolvemento: Firmware, Deseño mecánico, Validación… O xefe de proxecto dun convertidor, que adoita ser deseñador de hardware, necesita moito criterio para que o proxecto avance e que, ao mesmo tempo, cada grupo de especialistas poida puír o seu traballo.

Moitas veces terá que fiarse deles e permitir que lle destinen un tempo escaso a aclarar anomalías ou descartar posibles erros que intúen pero que ás veces resultan non ser reais. Para os de hardware, ademáis de para os deseñadores mecánicos, axudar á xente de Industrialización resulta crucial. Supoñen case outra especialidade por dereito propio. E a fábrica ten que ser un segundo hogar para hardware despois do laboratorio, porque un deseño que non se poida fabricar e probar en serie con facilidade e eficacia nin sequera debería de existir.

Tamén terá que traballar moito con Compras para conseguir os custos e evitar problemas de subministración. Para o deseñador de hardware todo o mundo é o seu cliente. Así o ten que tomar. Pero, sobre todo, ha de ter claro quen é o cliente final. Non é o xefe de proxecto. Nin sequera é o que paga. O cliente final é o técnico de campo que vai ter que ir ás 3 da mañá dun sábado para mirar por que o teu convertidor parouse. O enxeñeiro de Hardware ten que escoitar ao técnico de campo máis que a ninguén no mundo, porque está aínda máis en contacto coa realidade. Sófrea nas súas carnes.

Merece a pena

Se te dedicas á electrónica de potencia vas traballar con xente moi entusiasta e coa medida xusta de ego. Terás a impresión de que noutras áreas da tecnoloxía  otros fan cousas máis sofisticadas ca ti, pero ti estarás máis preto ca eles da mellor maestra, a realidade. E non deixarás de aprender. Pero lémbrocho outra vez: se es de hardware, non é tan bonito como soa. Nunca serás un experto en nada, e o saberás. Para máis inri, ao día seguinte esquecerás o que aprendiches o anterior, porque estarás con outra cousa distinta. Non te preocupes, mañá volverás gozar aprendendo o mesmo outra vez. E entón ocorrerá unha idea nova. Esa será a que marque a diferenza.