Funcionamiento de una fuente de energía de una computadora
Este post se tratarán los aspectos relacionados con el suministro de energía, con el funcionamiento de la fuente de alimentación y los aspectos por verificar ante un equipo que se niega a encender, junto a las posibles soluciones y procedimientos.Las fallas de arranque son uno de los problemas más comunes que afecta a la mayoría de las PCs, en algún punto de su vida útil.
FUENTES DE ENERGÍA
Existen dos factores principales que pueden ocasionar que un equipo no encienda; por un lado encontramos los problemas en la fuente de energía y, por otro, las dificultades en los dispositivos (casi siempre internos).Cuando la fuente de energía es la que falla, al pulsar el botón de encendido, en la gran mayoría de los casos el equipo parece no inmutarse: no se iluminan los LEDs del panel frontal del gabinete ni se escuchan los ventiladores girar. Sin embargo, existen casos en que la fuente de alimentación no entrega la energía necesaria para activar el procesador por lo tanto, no habrá imagen en pantalla, pero sí logran encender las luces del gabinete, y se oyen los coolers girar.
A modo de introducción, presentaremos en forma breve los fundamentos básicos sobre electricidad, las unidades de medida y los componentes electrónicos que integran una fuente de alimentación, para luego tratar su principio de funcionamiento.
Funcionamiento de una fuente
Si bien existen (o existieron) diferentes tipos de fuentes de energía para las computadoras, debemos saber que todas ellas poseen el mismo principio de funcionamiento y partes principales: etapa primaria y etapa secundaria.La etapa primaria es la parte del circuito donde ingresa la corriente alterna de la línea eléctrica. Por seguridad, posee un fusible, y es aquí donde se encuentran los diodos rectificadores que convierten la corriente alterna en continua. En la parte central del circuito, se encuentran los transformadores de tensión que son los elementos que dividen la etapa primaria de la secundaria y se encargan de transformar los 220 volts en 12, 5 y 3,3 volts.
La etapa secundaria filtra y rectifica la corriente que irá a los componentes internos de la PC. Algunos de los componentes de la fuente producen excesivo calor, por lo cual poseen disipadores y uno o más ventiladores para expulsar el aire caliente.
Diferentes fases de una fuente
Las fases de una fuente de alimentación por las que atraviesa la energía desde el tomacorriente hasta los dispositivos son principalmente las cuatro siguientes.
Transformación
Este proceso tiene su rol en la etapa primaria y se encarga de reducir la tensión de línea (220 o 110 volts) mediante transformadores de bobina, los cuales poseen dos arrollamientos de hilos de cobre por los que circula la corriente, y un núcleo. Al circular corriente por la primera bobina, se genera un campo electromagnético que inducirá una diferencia de potencial en la segunda bobina, que posee un número menor de vueltas; a raíz de eso, la tensión que se forma en el segundo arrollamiento será menor a la del primero. Ése es el principio de funcionamiento de todo transformador. Las tensiones resultantes, en este caso, son de 12, 5 y 3,3 volts.Rectificación
Las compañías eléctricas utilizan corriente alterna para distribuir con mayor efectividad la energía hacia los hogares. En cambio, los componentes electrónicos (por ejemplo: televisores, equipos de audio o computadoras) emplean corriente continua.Esta fase de la fuente de alimentación es la encargada de convertir la corriente alterna entrante en continua, utilizable por el motherboard, discos y demás componentes de la PC. Esta tarea se efectúa gracias a un puente rectificador de diodos ubicado en la etapa secundaria. Como los diodos son componentes electrónicos que canalizan la corriente en un solo sentido, ubicando cuatro de ellos de una manera especial, se logra que el flanco negativo de la onda senoidal sea también positivo.
Filtrado Una vez que la corriente fue convertida en continua, ésta es muy variable, por poseer fluctuaciones o pulsos de tensión resultantes del proceso anterior, que pueden dañar los dispositivos de la computadora. El proceso de filtrado se encarga de eli- minar esas oscilaciones utilizando uno o dos capacitores, tomando el valor máximo de la señal como continuo y sin pulsos curvos.
Regulación
La señal eléctrica ya está continua y sin variaciones. Solo resta estabilizarla para que las variaciones de consumo externas no afecten el valor de tensión saliente. Esto se realiza gracias a un pequeño dispositivo llamado regulador. En otras palabras, si mo- mentáneamente el consumo de energía de la PC aumenta por algún motivo (como la conexión de un dispositivo USB o al quemar un DVD), la tensión de salida no decaerá a causa de esto, ya que se verá estabilizada en forma automática por el regulador incorporado en la fuente de alimentación.Fuentes switching
Las computadoras actuales utilizan un tipo especial de fuente de energía llamado switching
Hasta aquí, lo expuesto son las fases que se emplean para una fuente lineal, pero debemos tener en cuenta que las computadoras actuales utilizan un tipo especial de fuente de energía llamado switching, la cual posee el mismo principio de funcionamiento que las descritas hasta aquí, aunque tienen la particularidad de contar con un par de fases adicionales: rectificación y filtrado de entrada, inversión, transformación, rectificación y filtrado de salida.La fase adicional de inversión se vale de transistores del tipo MOSFET (que hacen las veces de oscilador de potencia) para convertir la corriente continua en alterna nuevamente y a una frecuencia elevada (de unos cuantos KHz, en vez de los 60 Hz de la línea eléctrica hogareña). El objetivo principal de esto es que el tamaño de los componentes internos necesarios resulta mucho menor que los utilizados para las fuentes lineales y, por lo tanto, hace que el calor generado sea menor, y la eficiencia de la fuente, mayor, de esta forma podemos estar seguros de contar con una fuente de alimentación que proporcione mejores funcionalidades.
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Especificaciones ATX
Las características del estándar ATX con respecto al obsoleto AT son prácticas y muy ventajosas, ya que permiten el apagado del equipo por software. También se puede programar mediante aplicaciones especiales el apagado de la PC a una determinada hora, junto con la posibilidad de encender el equipo vía mouse o teclado (con una tecla, una combinación de ellas o una contraseña), o bien, establecer la hora a la que deseamos que nuestra PC se encienda a diario.
A continuación, realizaremos un breve repaso por las especificaciones que introdujeron cambios significativos al estándar ATX.
- ATX 1.3: con la versión 1.3 se introdujo el conector adicional de cuatro pines para el procesador de la computadora (llamado ATX 12v). Originalmente, solo era necesario en placas base para Pentium 4, de ahí que muchas fuentes ATX 1.3 fuesen conocidas con el nombre de P4 Compliant.
- ATX 2.01: es básicamente una pequeña revisión más allá de la 2.0 la cual fue portadora de uno de los principales cambios, el uso del conector ATX de 24 pines. También declara que el conector auxiliar ATX 12v de 4 pines debe estar en su propia línea de 12 V y, con este estándar, se incrementaron las cifras de eficiencia mínima necesaria. Adicionalmente, la corriente recomendada en la línea de 12v fue ampliada al mismo tiempo que se sugiere la creación de una nueva línea de 12 V independiente en caso de que se superaran los 18 amperes.
- ATX 2.20: fue implementada en marzo de 2005. Su principal cambio incrementa los requerimientos en cuanto a eficiencia, los cuales son de un mínimo del 65% y un nivel recomendado del 75% o superior en baja carga, y un 80% o superior en una carga típica. La línea +5VSB también ha sido incrementada a 2.5 amperes.
- ATX 2.3: data de marzo de 2007 y especifica una eficiencia de la fuente en un valor recomendado de 80% para cumplir con la norma Energy Star 4.0.
Fuentes modulares
Las fuentes modulares permiten conectar en forma opcional cada cable a su salida, traen consigo cables con conectores Molex, Serial-ATA y PCI-E, que vienen sueltos, y pueden conectarse a la fuente solo si se los necesita. Así, ningún cable innecesario quedará colgando ni obstruyendo la correcta circulación del aire. Es una idea muy práctica para optimizar la ventilación en el interior del gabinete.El único inconveniente de las fuentes completamente modulares es que las uniones pueden presentar problemas de conexión o falsos contactos, lo cual genera fluctuaciones o ruidos en la señal de tensión que puede afectar a la estabilidad del sistema.
Fuentes de buena calidad
Los gabinetes genéricos vienen de fábrica con una fuente muy básica, que no respeta los valores nominales y prácticamente no cumple con las certificaciones internacionales. No es recomendable confiar en una fuente genérica que dice tener 500 watts; ese valor se trata de un valor de pico máximo, pero no constante. A causa de esto, surgieron fabricantes como Antec, Enermax, Zeus, PowerCooler, Topower y decenas más, dedicados a la fabricación de fuentes robustas, seguras y efectivas, con la potencia de salida real indicada en su etiqueta de especificaciones.
La diferencia más notoria entre una fuente genérica y una de alta calidad es el peso: las fuentes de buena calidad poseen capacitores y disipadores más grandes, ventiladores adicionales, cables más gruesos y mayor cantidad de conectores en la salida.
Una fuente genérica de 550 watts suele pesar alrededor de 800 gramos, mientras que una fuente de la misma potencia (pero real) pesa casi dos kilos. Las diferencias en costos también se notan: una fuente de marca puede llegar a costar entre cuatro y diez veces más que una fuente de alimentación genérica.
Power Correction Factor
La generación de la energía necesaria para alimentar los electrodomésticos de nuestros hogares es obtenida por el uso de combustible fósil en la mayoría de los casos.Cada equipo eléctrico del hogar y también las fuentes de alimentación para PC funcionan absorbiendo energía y disipando potencia. La potencia disipada está formada por dos partes principales: la activa (que es la que comúnmente se factura) y la reactiva, que no corresponde a la que se aprovecha en forma efectiva, ya que se mal gasta por efecto del factor de potencia sin corrección. Supongamos que un dispositivo eléctrico tiene un factor de potencia de 0,5: solo el 50% de la energía llegará a la fuente de energía. El 50% restante se desperdicia.
Introduciendo el factor de corrección de potencia (en inglés: PCF o Power Factor Correction) en las fuentes para PC, se incrementa el factor de carga reduciendo la potencia reactiva (que no se aprovecha). Este método puede ser empleado de dos formas:
- PCF activo: consiste en un circuito electrónico agregado a la fuente de alimentación que asume la función de modificar el factor de potencia llegando a valores cercanos a la unidad, para que prácticamente toda la potencia ofrecida por la red sea aprovechada por la fuente de alimentación. Éste es el método más efectivo para realizar la corrección que puede, al menos en teoría, aprovechar la energía hasta en un 95% (factor 0,95), pero lo normal es que ronde un valor de 80 a 90%, lo cual es más que aceptable. La desventaja de esta técnica es que resulta más costosa al emplear un circuito dedicado con componentes específicos para este fin.
- PCF pasivo: es el tipo de corrección del factor de potencia más utilizado. Se efectúa mediante componentes pasivos (resistencias y capacitores) que componen un filtro capacitivo de entrada para corregir el factor de potencia de la energía entrante. Esta modalidad no logra utilizar todo el potencial de la línea eléctrica, pero su producción e implementación en las fuentes de alimentación para PC es más económica.
Eficiencia
La eficiencia o rendimiento de una fuente de energía es un aspecto al cual se le presta atención desde hace poco tiempo en el ámbito de las computadoras, y está íntimamente ligado al factor de potencia y, por consiguiente, a los mecanismos para corregirlo. Se mide como el cociente entre la potencia consumida por la fuente sobre la potencia entregada, multiplicado por 100.La eficiencia de una fuente de alimentación sin corrección del factor de potencia es muy baja, del orden del 50%, con el evidente desperdicio de energía. Por ejemplo, una fuente de energía genérica de 500 Watts con 50% de eficiencia, podrá brindar como mucho 250 Watts, pero consumiendo 500 Watts de nuestra línea eléctrica.
Una fuente de alimentación de calidad aceptable trabaja con un 70% de eficiencia; una con corrección de factor de potencia pasivo alcanza el 80%; y una con corrección activa puede lograr entre un 90 y 95% de eficiencia en su consumo.
En el estándar ATX 1.x, la eficiencia mínima para cumplir con la especificación es del 67%. En el caso de una fuente ATX 2.3 es del 80%.
Número de rails independientes
Hoy por hoy, se recomienda que las fuentes de energía tengan canales independientes, evitando así sobrecargas ante el alto consumo de las tarjetas gráficas de medianas a altas prestaciones, las cuales hacen uso intensivo de la línea de 12 volts. Muchos usuarios suelen confundir este término con el o los cables de 6 contactos que parten de la fuente de energía hacia las tarjetas gráficas, pero tal cosa es un error: puede haber varios conectores y de distinto tipo utilizando el mismo canal de salida.El concepto Dual Rail 12v es un requisito para el estándar ATX 2.x. Se trata de una medida de seguridad que no significa que la fuente cuenta con dos circuitos independientes para la conversión a +12V, sino que se fracciona en dos o más carriles separados para dividir la carga en circuitos con protecciones de sobrecarga distintas, con lo cual es menor la cantidad de corriente que podría llegar a circular por uno de los circuitos ante una sobrecarga, evitando dañar al resto de los dispositivos conectados. Es más una medida de seguridad que un requerimiento específico.
Los distintos rails en una fuente con múltiples líneas de +12v, no son transformadas o generadas separadamente, sino que provienen del mismo lugar, pero se distribuyen en circuitos separados. Es como en el caso de un edificio de departamentos: la energía proviene del mismo origen, pero cada vecino tiene sus propios fusibles.
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