Fuentes de alimentación
En la era actual, donde la tecnología y la informática dominan prácticamente todos los aspectos de nuestras vidas, raramente pensamos en la fuerza impulsora que está detrás de todos estos dispositivos y sistemas: las fuentes de alimentación para computadoras.
Estos componentes esenciales son responsables de proporcionar la energía eléctrica necesaria para que las computadoras funcionen de manera eficiente y confiable.
La fuente de alimentación, también denominada (PSU), alimenta de energía a todos los componentes de hardware para su correcto funcionamiento, de esta manera podemos decir, que es el componente más importante de una PC.
La electricidad que se recibe del tomacorrientes de la pared de un hogar, no es del tipo correcto porque es Corriente Alterna (CA), por lo tanto, este dispositivo está diseñado para transformarla en Corriente Continua (CC), de esta manera, se le aplica la corriente adecuada a los componentes internos para su uso.
La función principal de una fuente de alimentación es convertir esta electricidad alterna en electricidad continua a un nivel seguro.
Las fuentes vienen en dos modos principales: lineales y conmutadas.
Las fuentes lineales son más simples y solo requieren unos pocos pasos para convertir la electricidad de CA a CC.
Consumen energía constantemente y por lo general, descargan el exceso de energía en forma de calor.
Requieren componentes más grandes para la entrega de alta potencia, esto las limita principalmente para aplicaciones de menor potencia.
Por otro lado, las fuentes conmutadas tienen un interruptor interno que controla el flujo eléctrico que ingresa al resto de la fuente.
Si bien esto agrega complejidad, tiene un par de beneficios. La primera, es que utiliza menos electricidad que una fuente lineal.
La segunda, es que la acción de conmutación genera corriente alterna de alta frecuencia, lo que a su vez permite que algunos componentes, como inductores y transformadores, sean más pequeños.
La desventaja, es que la conmutación genera mucho ruido que debe filtrarse a la salida y posiblemente protegerse para evitar fugas.
En esta guía, exploraremos en detalle qué son las fuentes de alimentación para computadoras, cómo funcionan, los tipos disponibles en el mercado y su importancia en el panorama tecnológico actual.
A continuación debajo, verás una lista de artículos review para consultar las fuentes de PC más importantes del mercado.
¿Qué es una fuente de alimentación?
En términos simples, una fuente de alimentación de computadora es un dispositivo eléctrico que convierte la energía de la red eléctrica en forma de energía utilizable para los componentes internos de una PC.
Su función principal es proporcionar los voltajes y corrientes necesarios para que los distintos componentes del sistema, como el procesador, la memoria RAM, las tarjetas gráficas y las unidades de almacenamiento, funcionen correctamente.
Las fuentes de alimentación garantizan que la energía suministrada sea estable y libre de fluctuaciones, lo que es esencial para la integridad y el rendimiento de los componentes electrónicos delicados.
Además, pueden ofrecer protección contra sobretensiones, cortocircuitos y otros problemas eléctricos que podrían dañar los componentes internos.
La fuente en una PC se ubica justamente en la parte posterior del gabinete, puede ser arriba o abajo dependiendo del modelo.
Si verificas el cable de alimentación, notarás que se conecta en la parte posterior de la fuente.
También hay una abertura de ventilación en la parte posterior que envía el aire hacia esa parte del gabinete.
En este sector puede que se ubique normalmente abajo y no arriba como sí ocurría con otros gabinetes antiguos.
El lado de la fuente hacia el exterior del gabinete, tiene un puerto macho de tres puntas al que se conecta un cable de alimentación, conectándola al suministro eléctrico.
También suele haber un interruptor de encendido y apagado, además de un interruptor de voltaje en modelos antiguos.
Grandes manojos de cables en colores se extienden desde el lado opuesto de la fuente hacia el interior de la PC.
Los cables conectores en los extremos opuestos se conectan a varios componentes para suministrarles la energía adecuada.
Algunos conectores están diseñados específicamente para conectarse a la placa base, mientras que otros se conectan a los ventiladores, unidades de almacenamiento e incluso a tarjetas gráficas de alta potencia.
Las fuentes de alimentación o fuentes de poder, se clasifican en potencias para demostrar la cantidad de energía que pueden suministrar a la computadora en general.
Como cada componente requiere una cierta cantidad de energía para funcionar correctamente, es importante tener una fuente de poder que pueda proporcionar la cantidad correcta de potencia a cada componente individualmente.
Esta calculadora para suministro de energía muy práctica como herramienta, te ayudará a determinar cuánta potencia necesitas para que tu computadora funcione correctamente.
Principio de funcionamiento de una fuente
El funcionamiento básico de una fuente de alimentación como fue explicado anteriormente, se basa en la conversión de la Corriente Alterna (CA) que se suministra desde la red eléctrica, en Corriente Continua (CC), que es la forma de energía que utilizan los componentes internos de la computadora.
Esto se logra a través de varios pasos:
- Rectificación: la CA de la red eléctrica se convierte en CC a través de un proceso de rectificación. Esto generalmente se logra mediante diodos rectificadores que permiten que la corriente fluya en una sola dirección.
- Filtrado: la CC rectificada aún puede contener pequeñas fluctuaciones. Para suavizar estas fluctuaciones y producir una corriente más constante, se utilizan condensadores o capacitores y otros elementos de filtrado.
- Conversión y regulación: los circuitos de conversión y regulación ajustan los voltajes a los niveles específicos necesarios para cada componente de la PC. Estos voltajes incluyen el voltaje principal de 12V, utilizado para alimentar la mayoría de los componentes, así como voltajes más bajos, de 5V y 3.3V, que alimentan componentes sensibles.
- Distribución: la fuente distribuye los diferentes voltajes a través de los cables y conectores hacia los componentes internos de la PC, asegurando que cada uno reciba la energía adecuada.
El trabajo principal de una fuente es convertir corriente alterna en corriente continua. Una vez que se produce el tipo de CC, la convierte en los voltajes apropiados para que los componentes internos la puedan usar.
Se vuelve algo complicado una vez que se tienen en cuenta otras características.
Aquí un diagrama de bloques que explica su función. Las líneas rojas son CA, las líneas verdes son CC:
A continuación analizamos una imagen de una fuente con las partes resaltadas, para aclarar al detalle todos los pasos en esta guía.
Paso 1: Filtrado en la entrada de CA
La electricidad que sale del tomacorrientes de la pared es muy ruidosa por varias razones.
El primer paso es filtrar la mayor cantidad de ruido posible, utilizando una combinación de capacitores (conocidos como capacitores X e Y) e inductores.
Además, puede haber algunos circuitos de protección similares que se encuentran en los protectores contra sobretensiones para protegerse contra picos repentinos de corriente.
Si la fuente tiene un interruptor de voltaje físico, la entrada ingresa en un circuito duplicador de voltaje.
El doblador de tensión se utiliza cuando la entrada es de 115V, de forma que el resto de la fuente solo tiene que trabajar con 230V independientemente de la entrada real.
Si hay una corrección activa del factor de potencia, entonces se ocupa de este paso, por lo tanto, si la fuente toma 115V–230V sin interruptor físico, es muy probable que tenga una corrección activa del factor de potencia.
La imagen anterior muestra la mayor parte del filtrado de CA y partes de la rectificación de CA descrita en el paso 2.
Los tornillos en medio del disipador de calor conectan un diodo para la corrección del factor de potencia descrita en el paso 3 y un par de MOSFET de conmutación responsables para la conmutación o interrupción descrita en el paso 4.
Paso 2: Rectificación y filtrado
La CA que proviene del tomacorrientes trabaja entre voltajes positivos y negativos.
Esto hace que la corriente fluya de un lado a otro a través de los cables, sin producir ningún trabajo real con el tiempo.
Los rectificadores convierten la CA en corriente puramente positiva como se ve en la siguiente imagen:
Se utiliza un condensador de depósito para capturar energía del flujo todavía alterno, para convertirlo en uno más plano y estable.
Observa que en la salida hay una especie de patrón de dientes de sierra. Esto se debe a que el capacitor solo se puede cargar cuando el voltaje de salida rectificada alcanza cierto punto hasta el pico de voltaje, de lo contrario, se está descargando.
Los puntos más bajos y más altos del diente de sierra forman lo que se conoce como ondulación. La cantidad de ondulación depende de la calidad, la capacidad y el tipo de capacitor.
Las fuentes de alimentación de alta calidad mantendrán la ondulación al mínimo.
Además, la especificación ATX requiere no más del 5% de ondulación en las líneas de 3.3V, 5V, 5V_SB y 12V.
Paso 3: Corrección del factor de potencia (PFC)
El factor de potencia es un fenómeno que ocurre con los circuitos de CA.
Hay dos tipos de potencia en los circuitos de CA: activa y reactiva.
La potencia activa es la que se utiliza en cargas resistivas, como hacer girar un motor.
La potencia reactiva es la que funciona en componentes tales como capacitores e inductores para cargarlos, sin realizar ningún trabajo sobre la carga real.
El factor de potencia es la relación entre la suma de la potencia activa y reactiva (llamada potencia aparente), siempre y cuando la potencia activa sea inferior a 1.
La corrección del factor de potencia tiene como objetivo que esta relación se acerque lo más posible a 1.
Si bien esto suena similar a la eficiencia, la eficiencia es un componente heredado de la electrónica que no puede usar toda la electricidad para hacer un trabajo útil, derrochando lo que no puede usar como calor.
Hay dos tipos de corrección del factor de potencia: pasiva y activa.
El PFC pasivo utiliza inductores, o un componente eléctrico pasivo.
El PFC activo utiliza transistores y circuitos de control, o componentes eléctricos activos.
Paso 4: Conmutación
La conmutación agrupa algunas acciones para lograr el mismo efecto: permitir que la electricidad fluya hacia el resto de la fuente de poder.
Otras funciones de conmutación incluyen:
- Circuitos de protección, tales como protecciones contra sobrevoltaje, sobrecorriente, sobrepotencia y cortocircuito.
- Proporciona retroalimentación básica a la computadora, la más importante es la buena señal de alimentación, que le dice a la placa base que la fuente está lista para funcionar.
- Crea una salida de CA de alta frecuencia (en el rango de decenas de kilohercios). La razón es que esto permite que los transformadores utilizados en el siguiente paso sean pequeños.
La conmutación requiere retroalimentación en la salida para funcionar correctamente. Esto se hace aprovechando los voltajes de salida que alimentan la computadora.
Paso 5: Transformación
Los transformadores se utilizan para reducir el voltaje a una línea primaria de 12V y a una línea secundaria de 5V.
Luego, la línea principal de 12V se reduce aún más, utilizando conversores de CC a CC a 5V y a 3.3V para que la use la PC.
Se utiliza una línea secundaria de 5V para suministrar el circuito de alimentación de reserva de 5V para que la PC pueda encenderse desde el interruptor de alimentación frontal.
Paso 6: Rectificación de salida y filtrado
Después de transformar la entrada en una salida de nivel de voltaje seguro, es hora de rectificar y filtrar una vez más, porque lo que sale del transformador es electricidad de CA. Es básicamente una repetición del paso 2.
La imagen muestra el rectificador a la derecha, que para este modelo es del tipo de media onda.
Esto significa que solo se utiliza la mitad de la onda de CA. Lo más probable es que esta sea una medida de ahorro de costos para evitar la necesidad de un transformador más complejo.
A la izquierda del rectificador se encuentran los condensadores utilizados para el filtrado.
La salida se vuelve a derivar al circuito de conmutación. Por razones de seguridad, el circuito de salida no está conectado directamente al circuito de entrada.
Es decir, no hay rastro de PCB o cable que conecte a ambos. Para evitar esto, esta fuente utiliza un transformador de aislamiento. Otras fuentes pueden usar lo que se denomina un optoacoplador.
Paso 7: Conversor y regulador
Dado que solo se crean 12V a partir del transformador principal, se utilizan conversores de CC a CC para crear 5V y 3.3V.
Los reguladores ayudan a mantener los voltajes lo más estable posible.
Las siguientes imágenes muestran el resultado de estas líneas de voltaje. Los cables de salida son muy gruesos porque tienen que soportar mucha corriente.
Es posible que hayas notado dos líneas de 12V en la salida (indicadas con la etiqueta ’12V2′ en el PCB).
Esto implicaría que esta fuente en particular tiene dos líneas de 12V, probablemente distribuidos entre el conector principal de 24 pines y el conector EPS12V para una línea de voltaje hacia los dispositivos periféricos, incluido el conector PCI Express.
Tipos de fuentes de alimentación
En el mercado actual, existen varios tipos de fuentes de alimentación, cada uno con características y capacidades específicas.
Los dos tipos de fuentes más comunes son:
-
ATX: estas son las fuentes más utilizadas en computadoras de escritorio. Siguen el estándar ATX (Tecnología Avanzada Extendida) y vienen en diferentes potencias, medidas en Vatios (W). Suelen incluir conectores para alimentar la placa base, tarjetas gráficas, discos duros, unidades de estado sólido y otros componentes.
-
SFX: estas fuentes son similares a las ATX, aunque tienen dimensiones más reducidas. Son ideales para sistemas de factor de forma pequeño y sistemas donde el espacio sea limitado.
Además de estos, también existen fuentes de alimentación modulares y semimodulares, que permiten al usuario conectar solo los cables necesarios, lo que mejora la gestión del cableado en el interior del gabinete.
Los tipos de fuentes para computadoras descritas anteriormente son las que están montadas dentro de un gabinete.
Existen otro tipo de fuentes externas diseñadas específicamente para computadoras portátiles o laptops.
Por ejemplo, algunas consolas de videojuegos tienen una fuente conectada al cable de alimentación ubicada entre la consola y el tomacorrientes de la pared.
Otras fuentes son muy similares, como las que están incorporadas en algunos discos duros externos, muy necesario si el dispositivo no puede extraer la suficiente energía desde la PC a través del puerto USB.
Las fuentes externas son beneficiosas porque permiten que el dispositivo sea más pequeño y más compacto.
Sin embargo, algunos de estos tipos de fuentes están conectadas al cable de alimentación y, dado que generalmente son bastante grandes, a veces dificultan la colocación del dispositivo en la pared.
Las fuentes por lo general, son víctimas de sobrevoltajes y picos de alta tensión porque son dispositivos que reciben la energía eléctrica alterna, por lo tanto, normalmente se recomienda conectarlas a dispositivos UPS o a protectores contra sobretensiones.
La simple tarea aparente que tiene una fuente de convertir la electricidad, pasa por más de unos pocos pasos para garantizar que se transforme y adapte de forma segura y correcta hacia sus componentes.
Aunque nos enfoquemos en las mejores fuentes del mercado, necesitan una protección adicional contra siniestros imprevistos.
Importancia en el panorama tecnológico
Aunque las fuentes de alimentación suelen pasar desapercibidas en comparación con otros componentes más visibles, como las tarjetas gráficas o procesadores, su papel es crucial en el funcionamiento de cualquier sistema informático.
Sin una fuente confiable y eficiente, los componentes electrónicos no podrían recibir la energía necesaria para operar, y el rendimiento general del sistema se vería gravemente comprometido.
Además de su función principal de suministrar energía, las fuentes de poder también han evolucionado para abordar preocupaciones ambientales y de eficiencia energética.
Las fuentes certificadas con estándares como 80 PLUS aseguran una mayor eficiencia energética, lo que no solo reduce los costos de electricidad para el usuario, sino que también contribuye a la reducción del consumo energético global y a la huella de carbono.
Conclusiones
En última instancia, las fuentes de poder para computadoras son los cimientos sobre los cuales se construye la maravilla del mundo digital moderno.
A pesar de su aparente simplicidad, estas unidades trabajan incansablemente para proporcionar la energía necesaria que impulsa nuestra vida diaria, desde la navegación por la web hasta la ejecución de aplicaciones complejas.
Al comprender la importancia de las fuentes de alimentación, estamos mejor preparados para valorar la ingeniería y el diseño que hacen posible nuestra inmersión en la era digital.
