En el este capítulo, vamos a conocer las características y conceptos básicos que nos permiten comprender el funcionamiento y las tecnologías relacionadas con las fuentes de energía. Realizaremos un completo recorrido por la arquitectura de estos dispositivos y revisaremos algunas operaciones básicas para diagnosticar su funcionamiento.
Fuente de energía.
La fuente de energía es un dispositivo que convierte la corriente alterna (CA-AC) en corriente continua (CC-DC-CD dependiendo idioma y/o lugar), utilizando diferentes componentes para rectificarla. También se ocupa de filtrar y entregar las tensiones que necesitan los componentes para funcionar (3,3 volts; otros, 5; y otros, 12).
Las fuentes, dependiendo de su calidad y prestaciones, pueden tener dos o tres fases de regulación, lo que hace que la salida de corriente sea lo más cercana posible a la corriente continua.
Las fuentes conocidas como ATX, no tienen el antiguo interruptor de las viejas AT, en las que existía el riesgo de que la corriente de 220 V, por una falla en los componentes de la fuente, pasara al motherboard y quemara sus pistas. Esto no sucede en las fuentes ATX, que quedan encendidas en modo de espera con una tensión eléctrica mínima, aun cuando la PC está apagada.
Fabricantes
Mientras que fabricantes reconocidos, como Cooler Master y PowerCooler, indican en los rótulos la capacidad real de sus fuentes. Los fabricantes genéricos muestran los valores pico que pueden alcanzar estos productos, y no, los valores reales. Entonces, si compramos una fuente genérica de 400 W, es muy probable que no sea capaz de entregar más de 350 W en forma sostenida; en los picos, alcanzará 450 W y no, el valor de trabajo sostenido.
Clasificación:
- Genéricas: estas fuentes se encuentran dentro de la gama baja ó media-baja. Se encargan de reducir su costo al obviar etapas presentes en fuentes de alta gama. Estas fuentes de poder suelen estar presentes en computadoras de oficina y equipos que no requieran grandes consumos.
- Alto rendimiento: estas fuentes utilizan todos los componentes necesarios para asegurar la máxima eficacia y eficiencia donde cada Watt cuenta. Se trata de fuentes de alta gama, y se pueden encontrar en equipos de producción multimedia (audio, video, etc.) y computadoras de gamers avanzados, entre otros.
- Modulares: estas fuentes de energía vienen preparadas para utilizar solamente los cables de tensión que necesitamos en nuestra computadora, y dan la posibilidad de quitar los no usados para, así, mejorar el flujo de aire dentro del gabinete y mantenerlo organizado en forma correcta.
- Semimodulares: son, básicamente, similares a las modulares, excepto porque el cable de alimentación al motherboard no puede quitarse. Además, en algunos casos, no es posible retirar todos los cables para alimentar los distintos componentes.
Hay que prestar especial atención a las especificaciones de la fuente. Todas sus características se encuentran impresas en el manual que la acompaña o en su caja.
Funcionamiento
La fuente de alimentación (PSU por sus siglas en inglés) es la encargada de proveer de energía a cada componente de la PC.
En la PSU tenemos las siguientes etapas:
- Filtrado transitorio. Su principal componente es un varistor (resistencia variable de tensión), que se ocupa de cortar los picos de tensión recibidos desde el suministro eléctrico. Esta etapa también evita que la interferencia electromagnética generada por la fuente pase a la red eléctrica y genere disrupciones en otros equipos electrónicos. Por último, encontramos un termistor (una resistencia cuyo valor varía dependiendo de la temperatura), que impide que los picos de grandes consumos de tensión dañen a los demás componentes de la fuente. En fuentes de baja calidad esta etapa es obviada.
- Selección de tensión y multiplicación. Aquí simplemente tenemos la selección de voltaje de entrada (110/220 V según el país) mediante una llave selectora. Lo interesante de esta fase es que, si seleccionamos 110 V, entra en funcionamiento un multiplicador de tensión que la lleva a los 220 V requeridos por la fuente. Hay uno o dos grandes capacitores electrolíticos que realizan esta tarea. Algunas fuentes están directamente preparadas para trabajar con un tipo fijo de tensión de entrada, por esta razón, en ellas se omite esta etapa.
- Rectificación. Nuestra PC y los demás periféricos conectados a ella se alimentan con corriente continua (CC), pero el suministro que recibimos de la red llega en forma de corriente alterna (CA). Esto hace necesario rectificar las tensiones recibidas para transformar la onda sinusoidal (CA) en una línea recta (CC). Como sabemos, este cambio se llevó a cabo mediante diodos que, en su forma más sencilla, se disponen en lo que se denomina puente rectificador de doble onda. También se eleva la frecuencia desde 50/60 Hz de la red, hacia valores mucho más altos, comprendidos, por lo general, en el rango de 10 KHz a 1 MHz.
- Transformación y conmutación. Una serie de transistores cortan y modulan la tensión para transformarla en pulsos. El ciclo de trabajo de estos transistores de conmutación está intrínsecamente ligado a la etapa de regulación y carga de trabajo de la fuente. La corriente continua se vuelve a transformar en alterna, pero con una onda de forma rectangular. Esta se envía a un transformador que, por inducción electromagnética, entrega los valores de tensión requeridos por el sistema. Gracias a este principio, se separa físicamente la etapa primaria (alto voltaje) de la etapa secundaria (bajo voltaje). Un segundo transformador genera los +5 V Stand By (+5vSB). Esto se debe a que esta línea siempre está activa en la fuente, aun cuando esta se encuentre apagada.
- Filtrado y rectificación. Como su nombre lo indica, aquí se filtran y rectifican los pulsos de alta frecuencia recibidos de la fase anterior mediante diodos, capacitores e inductores. En este paso, las tensiones ya están listas para ser usadas por el equipo.
- Regulación. La regulación monitorea constantemente las líneas de tensión verificando que estén dentro de los parámetros establecidos y realizando ajustes en caso de ser necesario. Esta etapa puede llevarse a cabo de varias maneras, tal como vemos a continuación.
- La regulación en grupo es utilizada en fuentes de gama baja, y consiste en tener un solo circuito de regulación para todas las líneas. El problema surge si, por ejemplo, se detecta una caída de tensión en la línea de +12 V y un alza en la de +5 V. Indefectiblemente, no se podrán compensar ambos valores, y esto dará lugar al incremento o decremento de una de estas líneas.
- La regulación independiente es opuesta al caso anterior, por lo que cada línea es regulada de forma separada. Se utiliza en las fuentes de alto rendimiento dado que, en estos casos, se prioriza la estabilidad del sistema por sobre su costo.
- La regulación por conversión CC/CC emplea un convertidor Buck (reductor de tensión CC). La fuente entrega solo +12 V, y el conversor obtiene y regula las tensiones de manera independiente. Es la forma de regulación que se usa con más frecuencia. Esta etapa también se encuentra ligada a la de transformación y conmutación, ya que indica y controla la cantidad de energía que se va a entregar, aumentando o reduciendo el ciclo de trabajo que corresponde a los transistores.
Rendimiento
Si la fuente de alimentación no hace un buen trabajo de filtrado y de regulación de voltaje, los componentes no reciben la energía como están diseñados y por ello no funcionan como deben.
Vamos a usar un procesador como ejemplo. Actualmente, el raíl de +3.3V es el destinado al procesador, pero con los procesadores modernos cada vez se ha ido reduciendo ese valor, por lo que son necesarios reguladores de voltaje también en las placas base (aunque a partir de Haswell éste va integrado en el propio procesador para tener una mayor eficiencia).
Claro, convertir un voltaje DC a otro DC es eficiente, pero lógicamente los reguladores de las placas no son como los de las fuentes de alimentación, así que cuanto más limpia y «exacta» les llegue esa energía, mejor harán su trabajo y el procesador recibirá exactamente lo que necesita, reduciendo el calor que se genera por energía malgastada y reduciendo a su vez el trabajo que debe realizar el procesador. Lo mismo sucede con tarjetas gráficas, discos duros y el resto de componentes del PC.
En resumen, cuanto mejor haga su trabajo la fuente de alimentación, mejor se comportarán todos los componentes, se calentarán menos y tendrán una vida útil más larga, por no hablar de que se mejorará la capacidad de overclock.
Líneas de tensión
La PSU entrega las siguientes líneas de tensión: +12 V, +5 V, +3.3 V, -12 V, -5 V y +5vSB.
- La línea de +12 V es utilizada principalmente por el motherboard, el procesador, las GPUs modernas y los discos duros. La carga soportada por esta línea es la más importante que debemos considerar a la hora de armar una PC moderna.
- Las líneas de +5 V y +3.3 V son cada vez menos utilizadas, pero aún alimentan algunas partes del motherboard, circuitos de los discos duros, placas de bajo consumo (como placas de red) y puertos USB, por nombrar algunos.
- La línea +5vSB es utilizada para mantener la alimentación de algunos componentes aun cuando la fuente esté apagada; es útil para Wake-on-LAN o para el encendido de la computadora mediante el teclado, por ejemplo.
- Las líneas de -12 V y -5 V se mantienen solo por compatibilidad y no son empleadas en sistemas modernos.
Líneas de señal
También tenemos otras tres líneas: PWR-OK, sensor 3.3 V y PS-ON. Se utilizan para el envío y la recepción de señales y monitorización.
- PWR-OK (Conocida como PowerGood) manda una señal al motherboard para comunicar que la fuente se encuentra bien y lista para ser usada.
- Sensor 3.3 V controla el valor de salida de la línea de tensión de +3.3 V, para verificar que esté sea el correcto.
- PS-ON es la línea que recibe la señal del motherboard para encender o apagar la fuente, según corresponda.
Conectores
En las PSUs modernas, encontramos los tipos de conectores que mencionamos y describimos a continuación:
- Conector de energía ATX 12 V v2.x (24 pines): entrega energía al motherboard, el procesador, las memorias, los buses de expansión y otros elementos.
- Conector EPS 12 V (8 pines): utilizado en sistemas con procesadores multinúcleo, se conecta al motherboard.
- Conector ATX 12 V (4 pines): se conecta al motherboard para proporcionar mayor estabilidad al proceador.
- Conector auxiliar PCI Express (6/8 pines): entrega 12 V a las GPUs que así lo requieran (75 W es el máximo entregado por el puerto PCI-E). El conector de 8 pines provee de mayor energía aún.
- Conector Serial ATA: se utiliza para alimentar discos HDD, SSD, unidades de DVD y BluRay; entrega 3.3 V, 5 V y 12 V.
- Conector Molex (4 pines): entrega 5 V y 12V. Utilizado para mantener compatibilidad con unidades de CD/DVD y HDD , y otros dispositivos (como coolers) lo siguen usando.
- Conector disquetera (4 pines): utilizado para mantener compatibilidad con disqueteras de 3½”, aunque algunos dispositivos (como lectores de memorias) lo siguen usando.
Rails independientes
Una única línea de tensión de 12 V no es suficiente, por lo que, hay al menos dos líneas de 12 V para mantener el sistema estable y con la tensión correcta. Se los denomina independientes porque provienen de una misma línea, pero consideremos que cada cable posee un limitador de tensión, para no exceder los amperajes soportados.
PCF
El PCF (corrección de factor de potencia, por sus siglas en inglés) es una característica incluida en algunas fuentes que permite reducir la cantidad de potencia reactiva. El PCF activo es, básicamente, un conversor de CA/CC que controla la corriente enviada a la fuente a través de la modulación del ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) y un inductor que limita los picos de corriente sin disipar energía. Este tipo de potencia, aunque no produce trabajo real, sí cuenta como consumo por parte de la prestataria del servicio energético. Por eso, el PCF se encarga de reducirla en un 80-90% aproximadamente. Cabe destacar que, en fuentes que incluyen este sistema, la etapa de selección de voltaje no existe, ya que es este el que se encarga también de la tensión de entrada.
Especificaciones
La especificación ATX fue impulsada por Intel en el año 1995. Requiere que la fuente entregue tres voltajes de salida principales: +12 V, +5 V y +3.3 V. También se agrega la salida +5 V standby, y se mantienen las salidas de baja potencia de -12 V y -5 V (aunque algunas fuentes ya no incluyen esta última). Las líneas deben mantenerse siempre dentro del rango de 5% de tolerancia para todas sus salidas. La especificación actual es ATX 12 V v2.3 y la consideremos la base para desarrollar los contenidos expuestos en este libro. Los rails independientes provienen de una misma línea, pero cada cable posee un limitador de tensión.
Consumo energético
Aprender a calcular el consumo de nuestra computadora nos permitirá saber no solo cuál es la fuente adecuada para ella, sino también el gasto que representa. En general, estos datos se encuentran disponibles en los respectivos manuales o en el sitio web del fabricante correspondiente.
Volts, amperes y watts
La tensión se puede definir como la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, y su unidad de medida es el voltio (representado por la letra V).
En Argentina utilizamos un voltaje de 220 VCA, aunque también es fácil realizar los cálculos para 110 VCA.
Los amperes representan la intensidad con la que fluye la electricidad dentro de un circuito. Su unidad de medida es el amper (representado por la letra A).
Los watts (o vatios) reflejan la energía que consume un circuito por unidad de tiempo (es decir, la potencia). Su unidad de medida es el watt (representado por la letra W).
watts = volts x amperes.
Ejemplo: Tenemos una lámpara de 100 W y queremos saber su amperaje. Como sabemos que la tensión es de 220 V; entonces, 100 W / 220 W = 0.45 A.
¿Cuánto consume nuestra PC? En esta tabla podemos observar los consumos típicos, recordamos: ver las etiquetas oweb de los fabricantes para obtener el dato exacto.
DISPOSITIVOS Y CONSUMO TÍPICO
Procesador Gama baja 70 W Gama alta 120 W
Motherboard Gama baja 35 W Gama alta 45 W
Tarjeta gráfica Gama baja 100 W Gama alta 350 W
Memoria (DDR2 por GB) 3 W
DVD-RW 30 W
Placas PCI (audio, módem, red) 3-10 W
Disco duro 7200 RPM 35 W
Las tarjetas gráficas son los dispositivos que más consumen y cada una informa los Watts.
No debemos olvidarnos de los dispositivos que se conectan al equipo de forma externa y que toman energía del sistema, como los dispositivos USB, FireWire y eSATA, entre otros.
La PC no consume siempre la misma cantidad de energía. No es lo mismo cuando está en reposo, utilizando programas de oficina o navegando por Internet, ejecutando un juego de última generación, o editando video. Al realizar el cálculo lo haremos calculando todo al máximo.
Probar una fuente de energía aislada
La fuente de energía es el corazón de la computadora, la que entrega la energía necesaria para que cada uno de los dispositivos internos puedan funcionar. En el siguiente Paso a paso aprenderemos la forma adecuada de testearla sin que se encuentre conectada a una PC, de esta forma podremos conocer cuándo existe alguna dificultad que le impida funcionar correctamente.
PROBAR UNA FUENTE AISLADA
- Desconectar de la energía eléctrica.
- Sacar el lateral del gabinete.
- Desconectar la fuente de todos los dispositivos internos en el gabinete.
- Tomar la ficha ATX20/24.
- Preparar un ganchito clip o un alambre en forma de letra U para realizar el puenteo de dos pines.
- Unimos con el puente el único cable verde con alguno de los cables negros que tiene al lado.
- Conectamos algun dispositivo externo como una unidad de dvd, para que la fuente tenga un gasto minimo y no afecte el resutado del testeo.
- Enchufar la fuente con un cable de power a 220VCA.
- Verificar con un destornillador buscapolo, la carcasa de la fuente para verificar que no tenga fuga de 220VCA, lo que implica un riesgo de electrocución. Si se presentara este caso, desechar la fuente.
- Tomar un tester y medir las tenciones correspondientes a cada cable según color. En el caso de tener un tester para fuentes conectar el mismo y observar los resultados.
- Si todo funciona bien. descaonectar de 220VCA y Rearmar todo como estaba.
Los valores que indica el tester varía en milésimas; esto es normal y debemos tener en cuenta que la tolerancia en estos valores de tensión es de +/-0,5 V.
La importancia de este procedimiento es que nos permitirá detectar problemas en el funcionamiento de la fuente de poder en forma aislada, y también de cada uno de sus conectores.
Testers de fuentes
En ambas imagenes podemos observar testers de fuente de energía. cada una con sus diferentes funciones.
¿Reutilizar fuente en equipo nuevo?
¿Conviene reutilizar la fuente de alimentación al armar una nueva PC?
Cuando cambias o actualizas tu PC a una nueva plataforma, una de las mejores maneras de ahorrar dinero es reutilizar la fuente de alimentación que tenías en el PC antiguo. Pero, ¿hasta qué punto es esto recomendable? ¿Merece la pena utilizar una fuente de alimentación con años de uso en un PC completamente nuevo?
Las fuentes de alimentación suelen ser el componente que más se estropea en un PC después de los discos duros, y realmente son el elemento que más riesgo corre debido a las subidas de tensión y otros problemas eléctricos derivados.
¿Sigue siendo fiable una fuente de alimentación vieja?
Las especificaciones y el rendimiento de un PC se pueden medir fácilmente con herramientas de benchmarking pero, ¿qué pasa con la fuente de alimentación? Lo más que tenemos es la tabla de potencia, que no son sino valores teóricos y que nunca son iguales a los reales. En todo caso, si pretendes utilizar tu vieja fuente de alimentación en un nuevo PC, debes fijarte ya no solo en la potencia total de ésta, sino también en qué intensidad de corriente es capaz de generar en el raíl de +12V.
Especialmente importante es este valor por la tarjeta gráfica. Normalmente, los fabricantes deberían decir cuánta intensidad en amperios necesitan para funcionar, pero si no logras saberlo, «a ojo» debes saber que una gráfica de gama media necesitará al menos 30A en el raíl de +12V, mientras que una gráfica de gama alta necesitará valores más cercanos a 50A.
Ahora, la recomendación es que le restes a los valores teóricos de la fuente al menos un 5% por año de vida, dado el desgaste de los componentes. En otras palabras, imagina que tenías una fuente de 600W que entregaba 48A en el raíl de +12V, pero que ahora tiene 5 años. En ese caso deberías restarle un 25% a los valores, y nos quedaría el equivalente a tener una fuente de 450W capaz de suministrar 36A en el raíl de +12V.
Estos no son valores empíricos, pero nos pueden ayudar a hacernos una idea del desgaste de la fuente y así decidir si merece la pena reutilizarla o si binen es mejor comprar una nueva.
También debes fijarte si la fuente de alimentación vieja tiene los conectores suficientes que necesitarás en el nuevo PC. Y deberías limpiarla completamente aprovechando el cambio de plataforma.
Entonces, ¿es malo reutilizar la fuente de alimentación?
No necesariamente. En realidad si la fuente de alimentación es de buena calidad, de un fabricante con prestigio de fiabilidad y nunca la has forzado ni mantenido a altas temperaturas, no deberías de tener ningún problema.
Otra cosa es si tienes una fuente de alimentación de marca de dudosa reputación o esta tiene ya más de un lustro (5 años), en cuyo caso no podemos recomendaros reutilizar la fuente y lo ideal sería que inviertas en comprar otra.
Recomendación: en lo posible comprar una nueva y dejar esta como repuesto.
Cuestionario
- Caracterice una fuente de energía.
- ¿Qué tipos de fuentes de energía existen?
- ¿Cómo funciona una fuente de energía?
- ¿Es conveniente reutilizar una fuente en un equipo nuevo?
- ¿La fuente afecta el rendimiento de la PC?