La fuente de alimentación

La fuente de alimentación es uno de los componentes más importantes de una PC. Sin embargo, es un elemento muy poco tenido en cuenta y a veces subvalorado cuando se hace la compra de una nueva computadora. Muchos se ocupan sólo de saber cuántos watt puede suministrar la fuente, sin importarle si esa potencia que suministra es limpia y estable o está llena de ruidos eléctricos.

Un mal funcionamiento de la fuente de alimentación no sólo puede provocar un mal funcionamiento del sistema, sino que al suministrar voltajes incorrectos o inestables puede dañar a otros componentes de tu computadora. Por lo tanto es de gran importancia para la correcta operación y fiabilidad del sistema que la fuente de alimentación funcione correctamente y, para usted es de gran utilidad conocer las funciones y limitaciones de este componente tan importante, así como los posibles problemas que puede presentar y sus soluciones.

La fuente de alimentación tiene la función de tomar la energía eléctrica disponible en la red energética comercial de 110VAC y 220VAC (50/60 Hz) y convertirla a los niveles de voltaje y corriente apropiados para el funcionamiento de los circuitos electrónicos de la computadora.

Técnicamente, las computadoras personales cuentan con una fuente conmutada (switching) de voltaje constante.

Voltaje constante significa que la fuente de alimentación suministra niveles de voltaje estables a los componentes internos del PC, esos niveles permanecen   en el mismo valor aunque existan variaciones del voltaje en la línea de entrada de 110V/220V y aunque se produzcan variaciones en el consumo eléctrico de las distintas partes internas del PC. Para garantizar esta condición se utilizan reguladores, por lo que esas fuentes de alimentación suministran voltajes regulados.

El término “conmutada”, o “switching” se refiere al diseño y la técnica de regulación que emplean ese tipo de fuentes. Las fuentes conmutadas permiten lograr una gran eficiencia, menor tamaño, mínima generación de calor, al tiempo que son muy  económicas en su construcción y sus precios suelen ser bajos.

 

El estándar ATX

Voltajes y señales.

Las fuentes de alimentación a que nos referimos, suministra varios voltajes a través de circuitos diferentes. Por eso lo primero será conocer los niveles de voltaje que brinda la fuente de alimentación de una PC. Este análisis se basa en el estándar internacional ATX/ATX12V que es el más difundido en el mundo. Por tanto, al lado de cada uno de los niveles de voltaje se incluye entre paréntesis el color del cable correspondiente al mismo en el estándar ATX.

0V Común o tierra (Negro): Es el terminal común, también llamado GND o tierra. Está   conectado físicamente al chasis de la fuente y del resto del sistema.

+3.3V (Naranja):  Alimenta los Chipsets, algunos DIMMs, tarjetas PCI/AGP/PCIe, otros chips internos.

+5V  (Rojo):  Los circuitos electrónicos de los discos duros y unidades CD/DVD, motores de bajo voltaje, tarjetas PCI/AGP/ISA, reguladores de voltaje.

+12V (Amarillo):  Motores en unidades de disco, ventiladores, tarjetas AGP/PCIe, reguladores de voltaje del CPU y otros.

-5V (Blanco): En la actualidad no se utiliza, sin embargo en muchas fuentes de alimentación aún viene este voltaje. Era empleado para el antiguo bus ISA.

-12V (Azul):  En algunas motherboards se emplea para el puerto serie y algunos circuitos de LAN. En los diseños modernos casi no se utiliza este voltaje.

+5VSB (Violeta): Es el voltaje de standby, que permite alimentar los componentes encargados del encendido, a partir de este terminal se obtiene el voltaje de alimentación del Super I/O, teclados con función Power y otros dispositivos.

 

Señales de control.

PS-ON (Verde): Es la señal de arranque  o encendido de la fuente. Cuando la fuente está en standby, este pin tiene un voltaje que está entre 3V y 5V, en ese estado la fuente está apagada. Un valor de 0V para esta señal hace que se produzca el encendido de la fuente, cuando se presiona el botón de Power se produce un proceso que termina conectando a tierra el pin PS-ON. Cuando se ordena apagar el PC, los sistemas operativos ejecutan sus secuencias de cierre y finalmente emiten un comando que ordena liberar el pin PS-ON y apagar la fuente quedando en standby a la espera de una nueva orden de encendido.

Una manera muy popular de comprobar la fuente de alimentación consiste en desconectarla de la motherboard y unir, mediante una presilla o un alambre, el pin PS-ON con el pin de tierra que tiene al lado. Esto funciona en los estándares ATX y sus derivados (que son la mayoría). Aunque hay diseños de fuentes donde el arranque es al revés, o sea, con un +5V o +3.3V en el PS-ON.

POWER_GOOD o PG (Gris):  La fuente de alimentación ejecuta un autochequeo interno antes de que el sistema inicie. Si ese chequeo inicial es satisfactorio, la fuente envía una señal especial a la motherboard llamada POWER_GOOD. Esta señal tiene un valor nominal de aproximadamente +5V y le indica al sistema que la fuente de alimentación garantiza que los voltajes están dentro de los parámetros correctos y está en capacidad de brindar toda su potencia. La señal POWER_GOOD debe estar presente siempre que la fuente esté encendida. Cuando, por alguna razón, el voltaje de 110/220V cae al punto de que la fuente no puede mantener las salidas dentro de los niveles de regulación adecuados, la señal POWER_GOOD cae a 0V y la motherboard pasa a la condición de Reset. El sistema no reiniciará hasta que la señal POWER_GOOD esté presente nuevamente. Una fuente de alimentación defectuosa puede encender correctamente pero al no tener  activa esta señal, la motherboard permanecerá  en Reset . Esta señal también suele llamarse POWER_OK.

 

Conectores.

Uno de los aspectos más importantes de la fuente de alimentación, son los conectores y su capacidad de entregar la suficiente potencia a la motherboard y demás componentes sin sobrecalentarse. No ayuda en nada tener una fuente de alimentación de 500Watt si los cables y conectores que suministran la energía a la motherboard pueden entregar  sólo 250Watt antes de que comiencen a quemarse y fundirse. Cuando hablamos específicamente de los conectores, los valores de corriente se indican en Amperes por circuito, lo cual es una medida de la cantidad de corriente que puede pasar por un terminal sin que su temperatura se eleve a no más de 300C por encima de la temperatura ambiente. Con una temperatura ambiente de 220C y la fuente operando a plena capacidad la temperatura en los terminales no excederá los 520C. Sin embargo, dentro del PC la temperatura puede ser muy bien de 400C o más, entonces con la fuente al máximo pueden resultar temperaturas excesivamente altas en los conectores.

El máximo nivel de corriente se define también teniendo en cuenta el calor de los terminales adyacentes. Por ejemplo, un conector de potencia puede entregar 8 Amperes en un conector de 4 posiciones, pero solo podrá entregar 6 Amperes en un conector de 20 pines.

El conector principal ATX, ya sea de 20 o de 24 pines, si usa terminales estándar puede manejar hasta 6 Amperes de corriente por terminal. Si utiliza terminales HCS ese límite se extiende a 9 Amperes por terminal y con conector Plus HCS hasta 11 Amperes por terminal.

 

Conector ATX 20 pines.

Es el conector principal del estándar ATX. Fue utilizado ampliamente en todos los sistemas anteriores a partir de su introducción en 1995. En los sistemas modernos no ha sido eliminado sino que se incluyen los pines adicionales para transformarlo en su sucesor, el ATX 24 pines.

La potencia total que puede entregar un conector ATX de 20 pines es de 251 Watt si se usan terminales estándar, lo cual está muy por debajo de las necesidades de la mayoría de los sistemas actuales. Desafortunadamente no se podía aumentar las corrientes porque los terminales se fundían.  Esa es la razón por la que en marzo de 2005 se actualizaron los estándares para incluir terminales HCS, que tienen una capacidad de corriente un 50% mayor que los terminales estándar. Utilizando terminales HCS la capacidad total de potencia para el conector ATX de 20 pines se incrementó a 377 Watts, lo cual está por encima del total necesario en un sistema con este tipo de conector.

Pero en algunos casos era necesario un poco más de potencia, más allá de la que podía entregar el conector ATX de 20 pines. Para que esos casos pudieran satisfacer su demanda energética extra se incluyó en el estándar ATX un conector adicional de 6 pines.

 

Conector adicional de 6 pines.

 

 

 

Se agregó un conector adicional de 6 pines, que contenía 3.3V y 5V para aquellos sistemas donde se necesitara exceder el límite máximo permitido para el conector principal de ATX de 20 pines. Con una forma muy parecida a la de los viejos sistemas AT, este conector se utilizó en algunas motherboards donde se requería un nivel mayor de potencia.

 

Conector ATX 24 pines.

 

En junio de 2004 apareció por primera vez el bus PCI Express en motherboards. PCI Express permite la conexión de tarjetas de distintos tipos, pero incluye un slot  especialmente diseñado para tarjetas de video de gran ancho de banda. Las tarjetas de video PCI Express necesitaban más potencia que la que en ese momento permitía el  conector de 20 pines, especialmente cuando estas tarjetas venían para +12V.

La principal limitación del conector principal de 20 pines es que tiene un solo pin de +12V y las nuevas tarjetas requerían más potencia a partir de +12V. Así surgió el conector de 24 pines y se eliminó el conector auxiliar de 6 pines. El nuevo conector de 24 pines incluye el conector estándar de 20 pines y cuatro pines más para +3.3V, + 5V , +12V y un terminal de tierra.

El conector principal de 24 pines no es algo nuevo, hizo su aparición en el año 1998 en una serie de servidores. En realidad el conector de 24 pines fue creado para servidores porque, en aquel tiempo, solamente los servidores tenían requerimientos adicionales de potencia.  Las computadoras de hoy demandan tanta potencia como los servidores de años atrás, de ahí que utilicen un estándar ya establecido, el conector de 24 pines.

Conector de 4 pines para +12V del CPU.

 

Este conector tiene dos pines de +12V y dos pines de tierra o común. Puede manipular corrientes desde 8 Amperes hasta 12 Amperes por cada pin, en dependencia de la calidad delos contactos del conector. El CPU es el elemento que más corriente demanda y más potencia consume, eso explica que los +12V que alimentan los reguladores de voltaje (VRM) del CPU se suministren con un conector adicional.

 

Conector de 8 pines para +12V del CPU.

  En motherboards más sofisticadas que demandan una mayor cantidad de energía en los circuitos de CPU, pueden ser necesarios dos conectores de 4 pines. Físicamente estos se combinan para formar un solo conector de 8 pines. Aunque la mayoría de las motherboards que tienen este conector funcionan adecuadamente con un conector simple de 4 pines para +12V de CPU, algunas necesitan que estén conectados los 8 pines para poder funcionar.

Conector de periféricos.

Este es quizás el más conocido de todos los conectores de fuentes de alimentación. Es el más antiguo, ha estado en todos los estándares anteriores de IBM y continúa en los actuales ATX12V. Incluye voltajes de +12V y +5V mas dos neutros. Su capacidad de corriente es de 11 Amperes por pin.

 

Conector para unidades Floppy.

Al igual que el anterior es muy conocido. Incluye +5V y +12V, pero en este caso sólo permite 2 Amperes por pin.

 

Conector para unidades S-ATA.

Para permitir el uso de unidades Serial-ATA existe este conector de 15 pines, que incluye solo 5 cables. Cada conductor está conectado a tres pines en el conector. El conector SATA es mucho más fino y también mucho más frágil que el conector tradicional.

Si tienes una fuente de alimentación que no incluye conectores SATA, puedes usar un cable adaptador para convertir un conector tradicional a un conector SATA. Sin embargo, hay un detalle. El conector SATA que trae la fuente viene con una conexión de 3.3V, mientras el adaptador sólo utiliza +12V y +5V. Esto es así porque hay algunos dispositivos SATA que utilizan los 3.3V de la fuente, pero afortunadamente la mayoría de los discos duros y unidades ópticas SATA ya no utilizan los 3.3V de la fuente, sino que obtienen los 3.3V localmente en su propio circuito a partir de los +5V y con esto evita la necesidad  de un cable más y facilita el uso de adaptadores a partir de los conectores tradicionales de periféricos.

 

Factor de Forma.

El factor de forma de un componente se refiere a su diseño externo, sus dimensiones y su forma física. Las partes y componentes que comparten un mismo factor de forma son generalmente intercambiables.

En el mercado de las computadoras, IBM definió inicialmente los estándares de factor de forma. Hasta 1995 los más populares modelos de fuentes de alimentación de PC estaban basados en estándares IBM, como PC/XT, AT y PS-2. Aún en la industria actual, los modernos sistemas ATX12V están basados en el factor de forma PS/2 Modelo 30 pero con conectores diferentes.

Intel introdujo ATX, un nuevo factor de forma para fuentes de alimentación en 1995. El estándar ATX se hizo muy popular y ya en 1996 comenzó a desplazar a sus antecesores IBM. ATX y los estándares que le siguieron permiten sistemas con mayor potencia y facilidades adicionales que no eran posibles con los modelos anteriores.

 

Algunos factores de forma  más utilizados.

Designación Descripción Elemplo
ATX/ATX12V Desde 1996 ATX es el factor de forma dominante en el mercado. Las fuentes de alimentación ATX12V es el que utilizan las modernas motherboards y debe ser así en los próximos años.
SFX/SFX12V Creado para PC de configuración mínima y bajas prestaciones. Tiene conector de motherboard de 20 pines y conector de 4 pines para los 12V de CPU. Las versiones más recientes vienen con conector de 24 pines y SATA, además de terminales HCS.
EPS/EPS12V Creado en 1998 para sistemas SSI, está basado en ATX pero con algunas mejoras. Tiene conector de 24 pines, los 4 pines de CPU y el conector de 6 pines (ya obsoleto). Sus dimensiones son un poco mayores que ATX en profundidad, pero es perfectamente utilizable en chasis ATX.
TFX12V Fue diseñado para sistemas con factor de forma pequeño, de poco volumen. Es más largo y más estrecho que el ATX. Está diseñado para potencias nominales entre 180 y 300 Watts. Incluye ventilador con termostato. Conector ATX de 20 y 24 pines más 4 pines de CPU. Se le han agregado conectores SATA.
CFX12V

CFX (compacto) fue diseñado para sistemas de poco volumen y potencias de 200 – 300 Watts.

Su diseño en ángulo permite adaptarse a chasis de poco espacio. Incluye conector de 24 pines más 4 pines de CPU y conectores SATA. Ventilador trasero controlado por termostato.

LFX12V Diseñado por Intel para potencias de 180 – 260 Watts, ideal para sistemas de poco espacio. Incluye conector de 24 pines, conector CPU de 4 pines y conectores SATA. Ventilador de 60mm controlado térmicamente.
Flex ATX

Utilizado en sistemas HP, IBM y Compaq. Está diseñado para potencias de 180 – 270 Watts.

Incluye uno o dos ventiladores de 40mm y algunos vienen sin ventilador. Incluye conector de 20 y 24 pines, los 4 pines de +12V de CPU y conectores SATA.

 

La fuente de alimentación y sus números.

Conocer al detalle el funcionamiento interno de este tipo de fuente de alimentación es tarea para los especialistas en electrónica. Pero conocer sus parámetros y aprender a interpretar el significado de las especificaciones técnicas, puede ser de mucha utilidad a la hora de hacer una elección correcta del equipamiento a adquirir. Conocer el significado de determinados números en estos equipos puede ahorrar dinero y proporcionar mejor calidad y estabilidad en los sistemas.

Potencias

Cada fuente viene con una etiqueta donde se especifica la marca y generalmente muestran una lista o una pequeña tabla con los niveles de voltaje y al lado la cantidad de amperes correspondiente. La potencia se calcula multiplicando volts X amperes, por lo que si para cada una de las salidas hacemos el cálculo y las sumamos nos dará la potencia total, eso es correcto.

Pero  hay un detalle. Esas cantidades de amperes son los valores máximos absolutos y la fuente no puede sostenerlos durante un tiempo prolongado, por tanto la cantidad de amperes máxima a que puede trabajar la fuente en condiciones de explotación será menor que la mostrada, al menos en un 25-30 %. Muchos fabricantes acostumbran a mostrar en la etiqueta  la potencia máxima, que resulta de sumar las potencias máximas para cada nivel de voltaje, pero ese dato sólo nos da una idea de cuál es el máximo alcanzable.  Otros especifican la potencia pico, que tampoco nos da una idea práctica de la potencia real que nos dará la fuente.

El dato real de la potencia a que podemos trabajar la fuente en condiciones de explotación  está por debajo de esos valores máximos, alrededor de un 30% menos. En una gran cantidad de modelos de fuentes se especifica la potencia de la manera que se explicó en el párrafo anterior. Por tanto habrá que tomar la potencia pico y multiplicarla por 0.7 para obtener la potencia real que nos dará la fuente.

Ejemplo: Una fuente que dice en su etiqueta 900 Watt máximo, su potencia real sería 900 x 0.7 = 630Watt.

Las etiquetas nos muestran datos reales pero son sólo valores máximos, no los que encontraremos en la práctica en condiciones reales de explotación. Muchas veces eso sigue un fin comercial (los números grandes impresionan más y atraen la atención). Por eso nosotros debemos aprender a interpretarlos.

Rango de voltajes de entrada.

La fuente, entre otros datos,  especifica siempre su rango de voltajes de entrada. Este se refiere al voltaje de la red comercial de corriente alterna de 120V o 220V (50/60 Hz). Cuando la fuente trabaja en 120V, es común que mantenga su funcionamiento correcto cuando el voltaje a su entrada esté entre 90V y 130V, mientras que  cuando opera en 220V el voltaje puede variar entre 200V y 240V. Siempre el fabricante suministra en la etiqueta de la fuente su rango de trabajo y este debe respetarse cuidadosamente.

 

Filtros de línea.

Los filtros de línea en estas fuentes de alimentación se utilizan para eliminar los ruidos eléctricos que están presentes en la línea de 110/220V y “limpiar” el voltaje de entrada. Esto incrementa la inmunidad a las interferencias y evita que el funcionamiento de la fuente pueda verse afectado por perturbaciones eléctricas momentáneas como el arranque de grandes motores eléctricos, equipos de soldadura o fallos de corta duración en la energía eléctrica.

En algunas fuentes estos filtros incluyen un inductor (Choke) con núcleo de hierro, que suele ser de gran tamaño. El peso de la fuente suele ser mayor cuando contiene un filtro de línea de este tipo, por eso muchas personas tienen la costumbre de estimar el peso de la fuente a la hora de valorar su calidad. Aunque una fuente pesada no garantiza que sea de buena calidad, el hecho de contener esos grandes filtros de línea es un buen indicador.

Pero los grandes filtros inductivos representan un obstáculo para la miniaturización y simplificación de los sistemas, por lo que una parte importante de esta función ha dejado de estar dentro de la fuente de alimentación. Los equipos de respaldo eléctrico, así como los  sistemas de protección y aterramiento en cada uno de sus niveles han ido asumiendo en gran medida  esta función. Hoy, generalmente,  la fuente de alimentación sólo incluye un filtro de línea de alta frecuencia que elimina las posibles interferencias de radiofrecuencia del exterior y el ruido eléctrico que pueda generar la fuente en su funcionamiento.

 

Protecciones.

Una preocupación que siempre está presente en todos los sistemas es precisamente la protección. Las fuentes de alimentación utilizadas en computadoras tienen sus salidas protegidas de la siguiente forma:

  • Protección de sobrecorriente (OCP). Las salidas de +3.3V, +5V y +12V están protegidas contra sobrecorriente. Cuando la cantidad de amperes en alguna de esas salidas es superior a la máxima definida por el fabricante, la fuente se apagará.
  • Protección contra cortocircuito. Es una extensión de la protección de sobrecorriente. Las salidas de voltaje de la fuente (+3.3V, +5V, +12, -12V) están protegidas contra cortocircuito. Cualquiera de esas salidas que entre en cortocircuito provocará de inmediato el apagado de la fuente.  Es normal que se dañe alguna unidad de disco o el circuito de potencia del CPU u otra causa accidental origine un cortocircuito, en ese instante actúa esta protección.
  • Protección de sobrevoltage (OVP). Las salidas de +3.3V, +5V y +12V son las que manejan la potencia de la fuente y están bajo la acción de un regulador. Esos valores son extremadamente críticos, por lo que la tolerancia a variaciones para cualquiera de esos voltajes está entre 1% y 3%. Una desviación de un 5% es suficiente para que el sistema caiga o los circuitos se dañen. Cuando falla la regulación o por alguna razón esos valores se incrementan más allá de lo permitido, la fuente se apagará.
  • Protección de bajo voltaje (UVP). Al igual que sucede con la protección de sobrevoltaje, cuando alguna de las salidas (+3.3V, +5V y +12V) cae por debajo de su valor nominal la protección actúa y la fuente se apaga.

Cuando la fuente de alimentación se apaga por la acción de alguna de estas protecciones no podrá ser encendida de nuevo, sino que deberá desconectarse del suministro eléctrico de 110/220V. También en muchos sistemas se regresa al modo standby manteniendo apretado el botón de encendido durante algunos segundos.

 

Funcionamiento

Antes de comenzar a conocer los detalles eléctricos de la fuente de alimentación utilizada en las modernas  computadoras, es conveniente destacar algunos elementos funcionales de este componente.

La fuente de alimentación que nos ocupa tiene dos regímenes de funcionamiento, que son los siguientes:

  • Standby: Es el estado que comienza cuando se conecta la fuente a la energía eléctrica, hasta el momento en que se presiona el botón de encendido del PC y es este mismo estado al que se regresa después que la PC realiza el proceso de apagado. Este estado termina sólo cuando desconectamos la fuente del suministro de energía eléctrica.

 

  • Encendido: Que ocurre cuando oprimimos el botón de encender y la fuente comienza a brindar energía en su totalidad, brinda a su salida los voltajes requeridos por las distintas partes del PC y éste comienza a funcionar.

 

En este tipo de fuentes se toma el voltaje de la red comercial 110/220V y se rectifica a onda completa, para lograr poco más de 310V y a partir de allí se realiza todo el proceso de regulación. Internamente la fuente de alimentación está dividida en dos partes. En realidad, existen dos fuentes de alimentación en una. Una fuente auxiliar que funciona en todo momento y la fuente principal que es la que suministra los voltajes necesarios para hacer funcionar las distintas partes del PC.

 

Fuente auxiliar o Standby.

La fuente auxiliar es la que genera los +5V de standby (+5VSB). Ese voltaje se utiliza para alimentar los circuitos que tienen la función de encendido de la PC, como el Super I/O y controlador ambiental, además permite mantener alimentado algunos dispositivos USB que tengamos configurados de esa manera, también alimenta los circuitos reguladores internos de la fuente principal. Esta fuente auxiliar es de poca potencia (unos 10 Watts) y funciona en todo momento, desde que conectamos la alimentación eléctrica comienza a funcionar y se mantiene activa siempre, aunque el sistema esté encendido o apagado. Dentro de la fuente de alimentación, la fuente auxiliar es la que más tiempo está funcionando y por tanto la que más tiende a fallar. De hecho, la mayoría de los fallos en la fuente de alimentación de una PC tienen su origen en la fuente auxiliar.

La fuente auxiliar está formada por un oscilador electrónico de tipo flyback. Este tipo de oscilador basa su funcionamiento en el uso de un transformador  en el que sus enrollados están  convenientemente conectados de acuerdo a su polaridad, para que se produzcan  oscilaciones eléctricas auto-sostenidas en el tiempo. En el caso que nos ocupa se  emplea un pequeño transformador de pulsos, como se señala en la figura.  Utiliza un transistor MOSFET en la mayoría de los casos, aunque hay muchos modelos que emplean transistor  bipolar. También suele emplearse un pequeño circuito integrado de 8 pines para este propósito.

 

Las fuentes que utilizan MOSFET en la auxiliar suelen ser las de mejor calidad, al ser más tolerantes a variaciones de voltaje en la línea de entrada y cambios bruscos sin romperse. En algunas fuentes de bajo costo se emplea un transistor bipolar para la fuente auxiliar, estos son menos tolerantes y hacen que el rango de entrada de la fuente sea más limitado, además de que fallan más frecuentemente.

Fuente auxiliar con MOSFET (Diagrama)

Fuente auxiliar con transistor bipolar (Diagrama)

Hemos mostrado dos esquemas eléctricos típicos de la fuente auxiliar, empleando transistor MOSFET y empleando transistor bipolar. Ambos esquemas son muy similares, pero no son directamente intercambiables sin modificar otros componentes, ya que ambos dispositivos tienen notables diferencias entre sí.

Se trata de un oscilador electrónico muy similar al que se utiliza en los bombillos del alumbrado, pero a diferencia de éstos aquí que se le ha agregado un circuito de regulación para mantener los +5Vsb. Para eso se utiliza un dispositivo de acoplamiento óptico, que permite modificar los parámetros de la oscilación en dependencia del voltaje de salida de +5VSB y así lograr la regulación.

En ambos casos la fuente auxiliar suele dañarse por fluctuaciones del voltaje en la línea de 110/220V, descargas eléctricas, cables de entrada y tomacorrientes defectuosos o con falsos contactos. Generalmente cuando se daña esta parte de la fuente siempre se afecta el mismo grupo de componentes que, se pudiera decir, son los más críticos.

Como el objetivo de este post es también servir de ayuda en la solución de problemas, se han marcado con un punto rojo aquellos componentes que se dañan con más frecuencia. No quiero decir con esto que siempre que se produzca un fallo en la fuente auxiliar se dañen  todos esos componentes marcados en rojo, pero seguramente algunos de ellos deberán ser sustituidos.

El empleo de un chip para esta función simplifica notablemente la fuente auxiliar. Internamente estos circuitos integrados son una variante mejorada de la versión que utiliza MOSFET, ya que éste viene incluido en su interior.

Fuente principal.

La fuente principal es la que suministra los voltajes necesarios para los componentes internos de la computadora. Comienza a funcionar a partir de la activación de una señal de encendido llamada PS-ON que proviene de la PC cuando oprimimos el botón de encendido.

En ese momento comienza a operar un sistema que se conoce popularmente como “fuente switching” o “fuente conmutada”. El funcionamiento de este tipo de fuentes  se basa en conmutar convenientemente  la corriente a través del enrollado primario de un transformador, esa conmutación se realiza a una alta velocidad, generando una corriente alterna de frecuencia elevada en dicho transformador. A frecuencias elevadas se pueden lograr potencias mayores con transformadores más pequeños y éstos suelen ser más eficientes, los circuitos de filtraje también son de menor tamaño y más efectivos que en 50/60Hz. Estas, entre otras, son las razones por las que las fuentes conmutadas logran potencias elevadas en poco espacio y son menos costosas y más eficientes que las antiguas fuentes.

La fuente principal manipula toda la potencia nominal y brinda a su salida +3.3V, +5V y +12V, así como -12V y -5V. Con esos voltajes se alimentan las distintas partes de la motherboard, los discos duros, dispositivos ópticos, tarjetas PCI/PCI-e, puertos, ventiladores y todos los elementos que se instalan dentro del gabinete o chasis de la computadora.

La conmutación se realiza mediante transistores de alta velocidad, estos pueden ser bipolares o MOSFET. En fuentes de hasta 700W suelen utilizarse  transistores bipolares, son muy conocidos los de las series C13005, C13007 y C13009, otras fuentes de mayor potencia utilizan arreglos de transistores MOSFET para realizar la conmutación. Estos transistores conmutadores suelen ser de mediano o gran tamaño y generan calor en su funcionamiento, por lo que están montados sobre una pieza metálica que le sirve de disipador de calor.

Los transistores conmutadores estarán un instante de tiempo  encendidos y otro instante apagados, todo el proceso se repite periódicamente, por lo que en cada ciclo cada uno de ellos estará una parte del tiempo encendido y el resto apagado. En las figuras  pueden verse los dos transistores conmutadores (Q3 y Q4) de una fuente  ATX común, estos trabajan en tiempos opuestos. Cuando Q3 está encendido ( ), Q4 estará apagado y la corriente fluye según la trayectoria roja a través del primario del transformador principal T1. Un instante después se apaga Q3 y se enciende Q4 para que la corriente fluya según la trayectoria azul en sentido inverso, a través del primario de T1. De esta forma se hace pasar una corriente alterna de alta frecuencia y con una amplitud de 315V a través del enrollado primario de T1, el tiempo que funcionan Q3 y Q4 está controlado por el modulador del ancho del pulso (PWM) que es quien determina el tiempo de acción de cada uno de los conmutadores.

El chip PWM es el que ordena el encendido y apagado de los conmutadores Q3 y Q4. Sin entrar en muchos detalles, el PWM genera una señal de onda cuadrada con una frecuencia alta pero estable, la frecuencia puede estar entre 50 y 100KHz y no varía. Esa señal es la que enciende y apaga los transistores y produce la conmutación.

La regulación en este sistema se logra controlando el tiempo que los transistores conmutadores permanecen encendidos (el ancho del pulso). Si la PC  demanda más amperes, se incrementará el tiempo que los transistores conmutadores permanecen encendidos en cada ciclo y así será mayor la cantidad de energía entregada al transformador y mayor la corriente que éste entregará a las salidas. En el sentido inverso sucede lo mismo, cuando se demanda menos amperes se reducirá el tiempo de encendido y se reduce la cantidad de energía que recibe el transformador y por tanto la corriente que este entrega será menor. Todo esto forma un circuito auto-controlado que garantiza que los voltajes en las salidas permanezcan estables. El ancho del pulso es un término que se refiere a la representación gráfica de esa señal eléctrica y se mide en unidades de tiempo (microsegundos en este caso). Además, el ancho del pulso representa una fracción del tiempo total de un período de conmutación, a esa relación suele llamársele “Ciclo de trabajo” o “Dutycycle”.

Ancho del pulso y duty cycle

Son muy utilizados en fuentes de alimentación una amplia gama de circuitos integrados PWM, como son: TL494CN, KA7500, SG6105, SD6109 y otros. Algunos integrados han sido especialmente diseñados para fuentes de PC.

 

Rectificadores y circuitos de salida.

El transformador principal tiene sus devanados secundarios diseñados para brindar los niveles de voltaje y corriente requeridos por la fuente ATX, enrollados con alambre doble y terminal central. Para cada una de sus salidas se utiliza un rectificador de onda completa de dos diodos, como el de la figura, que se montan físicamente sobre una pieza de metal para facilitar la disipación del calor.

El filtraje en este tipo de fuentes es muy importante, el hecho de funcionar con altas frecuencias hace que aparezcan oscilaciones parásitas que pueden generar interferencias en la propia computadora o en equipos cercanos. Por eso se emplean para cada salida el uso de varias bobinas y capacitores que garanticen una salida limpia.

En las salidas de mayor potencia suelen ponerse resistencias de carga. Son las resistencias de trabajo en vacío, que garantizan que siempre haya una resistencia de carga en la fuente aunque ésta no esté conectada o el PC no esté funcionando.

Conocimiento y precaución.

En este tipo de fuentes existen dos secciones claramente definidas.

La sección de alto voltaje o circuito primario, donde se encuentran los transistores conmutadores, los rectificadores y filtros de alto voltaje, así como los devanados primario de la fuente principal y de la fuente auxiliar. Esta área es peligrosa y se debe tener cuidado al manipular la fuente porque contiene filtros que se mantienen cargados varios minutos con voltajes superiores a los 300V aún después de desconectar. En muchos equipos se designa esta área con la palabra “HOT” (caliente).

La sección de bajo voltaje. Es la más amplia, allí se encuentran los rectificadores y filtros para cada una de las salidas, los circuitos de regulación con el chip PWM y sus componentes auxiliares y los elementos de protección.

Puede observarse en la figura la separación entre las secciones de alto y bajo voltaje. Entre ellas no existe conexión directa, sino que hay una barrera. Nada es común entre estas dos secciones, incluso los puntos de tierra son diferentes en una y la otra, esto debe tenerse en cuenta a la hora de hacer mediciones. Ese aislamiento, que se conoce como “Aislamiento Galvánico”, es una ventaja que ofrece el uso de transformadores y acopladores ópticos. Ese aislamiento es ventajoso porque evita que alguna chispa, salto de corriente y otras irregularidades que ocurran en la sección de alto voltaje puedan repercutir en las salidas y dañar otras partes del ordenador.

Ventilación.

Dadas las potencias elevadas que manejan, estas fuentes generan gran cantidad de calor. Casi todas las fuentes utilizadas en computadoras personales tienen incorporado un sistema de ventilación forzada con uno o más ventiladores. En algunos modelos se incluye un termostato que controla la velocidad del ventilador en función de la temperatura, pero en una gran mayoría el ventilador está funcionando siempre que la fuente  esté encendida. Siempre debe existir una corriente de aire circulando por dentro de la fuente, a fin de mantener la temperatura dentro de los límites permisibles.

 

Algunas consideraciones prácticas.

  • La fuente auxiliar es la que más tiempo está conectada y la que más horas está activa, por tanto es la que más interrupciones genera en todo el conjunto.
  • La fuente auxiliar no tiene protección contra sobre-voltaje, cuando se daña el transformador de pulsos de la fuente auxiliar éste puede generar un voltaje inestable que puede ser mayor que +5Vsb y dañar la motherboard y algún dispositivo USB que esté conectado. Si en algún momento se escucha un sonido agudo proveniente de la fuente del PC, debe desconectarse y sustituirla o revisarla cuidadosamente.
  • Los cables de conexión defectuosos y los tomacorrientes flojos son una causa frecuente de averías en la fuente. También la acumulación de polvo, la humedad y la presencia de insectos dentro del área de los circuitos provoca graves daños en estas fuentes.
  • Los capacitores electrolíticos que se utilizan como filtros en las salidas, cuando no son de buena calidad se hinchan y explotan al cabo de un tiempo. Esto se debe a que a través de ellos pasan las corrientes de rizado de alta frecuencia que hace que se calienten y se hinchen. Pueden sustituirse por otros de mejor calidad.
  • La fuente principal falla cuando se daña el chip PWM o alguno de los transistores conmutadores, también cuando se abre alguna de las resistencias de descarga (observe que las trayectorias pasan por ellas).
  • La ventilación de la fuente de alimentación es imprescindible, nunca debe permitirse que ésta funcione sin el ventilador o con las rejillas de ventilación obstruidas porque se sobrecalentará en pocos minutos y se alterará su funcionamiento.
  • Una fuente de alimentación, cuando sea visible demasiado deterioro en la placa de circuito debe ser sustituida aunque esté funcionando correctamente, no esperar a que ocurra un fallo cuando éste sea inminente.

 

Este es un componente fundamental dentro del sistema. La calidad de la fuente es la base para el correcto funcionamiento de todo lo demás y un fallo en la fuente puede tener consecuencias muy negativas para el resto de los componentes que se conectan a ella. Se debe prestar mucha atención a esta parte del PC que pasa inadvertido la mayoría de las veces, mientras funcione bien.

Ing. Arnaldo Gonzalo Lorenzo Pardo

ATX-5400X (Microlab 400W)

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