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[aporte] Fuentes (parte II)

este post es sobre algunas cosas sobre las fuentes de pc, es la continuación de parte I

Funcionamiento:

voy a poner un esquema bastante básico sobre como funciona una fuente de pc, no es necesario que sepan todas esas cosas, pero me van a servir para explicar algunas cosas mas adelante



la primer parte del circuito esta compuesta por filtros EMI y protecciones, lo primero son para evitar que la fuente genere demasiado ruido eléctrico en la linea y afecte otros aparatos, un caso típico es cuando tenes un equipo de audio enchufado cerca de una fuente genérica, y se escuchan interferencias en los parlantes, las protecciones son para seguridad, pueden ser fusible que se cortan cuando hay algún cortocircuito, NTC, que es una resistencia que aumenta el valor con la temperatura, de modo que si la fuente esta muy caliente se apaga sola, varistores, que sirven para proteger de una subida de tensión excesiva, etc

luego viene la parte del circuito que se encarga de rectificar la corriente alterna de la red eléctrica, son 220v o 110v, pero en caso de ser 110v se usa un doblador de tensión para obtener los 220v, también hay que incluir en esta parte, el PFC, que es un circuito para mejorar la eficiencia de la rectificación, después de este parte se obtienen aproximadamente 310V de CC.

Después viene la parte del transformador y el circuito de conmutación, el transformador es donde la tensión pasa de 310v a 12v, -12v, 5v y 3.3v, como dije antes los 310v son de CC, y los transformadores solo funcionan con CA, de eso se encarga el circuito de conmutación, vuelve a convertir la corriente continua en alterna, pero ademas de eso, puede cambiar el ciclo de trabajo para aumentar o disminuir las tensiones en la salida, un detalle importante es que el transformador es 1 solo, tiene un flujo de campo magnético máximo y si se llega a ese limite el núcleo se satura, esto mas o menos significa la potencia máxima de energía que puede convertir el transformador, aunque también hay cosas que influyen en que pueda convertir mas o menos energía, como por ejemplo la frecuencia de conmutación o la temperatura.

Luego viene la parte de rectificación y de los filtros de salida, acá se vuelve a convertir la corriente en continua, y se filtra lo máximo posible para tener menos ripple y EMI.

Y por ultimo queda la fuente auxiliar, que es la que se encarga de suministrar los +5VSB, la única tensión que queda cuando la PC esta apagada y los circuitos de protecciones y control, que se encargan de que toda la fuente funcione correctamente, y en caso de que no lo haga, se apaga para no dañar los componentes de la pc.



Potencia de una fuente:

la potencia de una fuente seguramente es uno de los temas que le interesa a la mayoría, algunas cosas que tienen que saber, teóricamente la potencia se calcula con la formula P = A x V, si hay mas de un rail, se deben sumar la potencia de todos los rail. Pero en una fuente de pc, no seria correcto sumar las potencias de todos los rail.

primero porque para medir la potencia real de la fuente, se tienen que poner cargas en 1 o mas de los rail que se vayan a sumar, o sea, podes medir la potencia de la fuente poniendo carga en el rail de 12V solamente, o podes poner cargas en los otros rail también y las sumas, pero lo que no podes hacer, y esta totalmente mal, es poner una carga en 12V, medís hasta cuanto entrega, después poner una carga en el rail de 5V, medís cuanto entrega, después pones una carga en el rail de 3.3V, y al ultimo sumas la potencia de todo lo que mediste. Esto pasaba en el ejemplo que había puesto en la primer parte, con una fuente de 450W (antec vp450) que sumando la potencia de cada rail daba 600W, eso significa que si querés 15A en 5V, la fuente te los puede dar, si querés 24A en 3.3V también te los puede dar, y si querés 36A en 12V también. Pero si querés al mismo tiempo todas esas potencias, la cosa cambia, tendría que ser una fuente de 600W para poder entregar esa suma, el problema es que el transformador de la fuente esta echo para una fuente de 450W, podes tener 450W en cada rail si querés, (prácticamente es imposible, porque el resto de los componentes de los rail de 5V y 3.3V no están echos para esa potencia, se quemarían los diodos rectificadores, o los capacitores no alcanzarían para filtrar tanta corriente, o saltaría alguna protección) pero no podes tener mas de 450W distribuidos en todos los rail.

Segundo, la potencia que realmente importa en una PC, es la de la linea 12V, casi todo el consumo de energía de la pc lo toma de ahí, por ejemplo se usa para alimentar el CPU y el GPU, las lineas de +5V y +3.3V se usan para alimentar los circuitos integrados, pero consumen muy poco, los -12V se usa para amplificadores operacionales. Igual no piensen que el CPU o GPU funcionan a 12V, en realidad se usa esa linea porque es mas fácil para transportar, pero después el MB, o la placa de video, tienen las fases de alimentación, que son conversores DC-DC que convierten los 12V en el valor de Vcore, normalmente entre 1V y 1.5V.

En definitiva, tanto por el punto 1 y el 2, una fuente de 450W, debería entregar aproximadamente 450W en la linea de 12V, o sea, 37A, la fuente que puse de ejemplo es bastante buena, entrega 36A, pero hay otras que no, incluso hay fuentes con certificado 80+ que están bastante lejos de ese valor.

Las fuentes genéricas, y algunas de marca pero malas, hacen esto que explique recién, miden las potencias por separado y después la suman, o quizás midan la potencia de la fuente adentro de un freezer, o las mejores condiciones posibles, o directamente no miden nada y ponen valores al azar.
algunas dicen que son de 650W como la sentey bxp65-or, pero en la etiqueta dice 16A en 12V, o sea, 192W, es una fuente malisima.

Fuentes buenas, malas y recomendadas

hay varios factores que hacen que una fuente sea buena o mala, los que hay que tener en cuenta para elegir la fuente son por ejemplo, la potencia, aunque mas que la potencia, lo que en realidad importa es la potencia en la linea de 12V, la calidad de los componentes, esto es bastante relativo, no detallan la marca de cada componente que usan, pero si se busca en internet se puede ver el porcentaje de fallas de cada modelo, la garantía es otro punto que influye en esto, probablemente una fuente con 5 o 7 años de garantía tiene mejores componentes que una con 2 o 3 años, el ripple cambien es algo a tener en cuenta, si tiene certificado 80+, lo recomendable antes de comprar una fuente, es buscar reviews, para saber bien si la fuente es buena o mala.

ahora la diferencia entre una fuente buena y una recomendada es el precio, hay fuentes que entregan mucha potencia en 12v, tienen poco ripple, garantía, etc, pero que cuestan el doble que una fuente con características similares, pongo como ejemplo la linea silent pro de cooler master, una de 620W cuesta $2800, la fuente en si es buena, pero no vale eso, una seasonic m12ii de 620W, es bastante similar, o incluso mejor, y cuesta $1800, 65% mas barata.

En definitiva, si necesitan una fuente de 500w, lo principal es que compren alguna que tenga 40A en 12v, o lo mas cerca posible, si tienen varias opciones para elegir, fíjense cual tiene menos ripple, mas garantía, si tiene certificado 80+, miren reviews para comprobar que todos los datos sean ciertos y que sea una buena fuente, y fíjense el precio, no les digo que compren una fuente de $2 que se les rompa en 2 días, pero tampoco vale la pena comprar fuentes de $4000 o $5000.

rizado o ripple

mas arriba nombre varias veces el ripple, pero todavía no explique lo que es, al principio había explicado como funciona la fuente, si recuerdan la parte donde dije que el transformador funciona en corriente alterna, y luego se filtra para obtener de nuevo corriente continua, ahora bien, ese proceso de rectificar la corriente alterna, no logra que la corriente en la salida sea 100% continua, siempre queda una pequeña parte de corriente alterna, ese residuo es lo que se conoce como rizado o ripple, se mide en Vpp (voltaje pico a pico) que seria la diferencia de tensión entre el punto máximo y el mínimo, en primer instancia el ripple es bastante grande, y todas las fuentes tienen que filtrarlo, depende del filtrado que se haga para obtener un buen resultado final o no.



acá dejo una imagen donde se puede ver en la linea de puntos la forma que tiene la onda antes del filtrado y después, mientras mejor sea el filtrado, mas debería parecerse la linea roja a una recta:



los efectos del ripple son los siguientes:

en equipos de sonido, si la frecuencia del ripple y/o sus armónicos están dentro una frecuencia audible, se escucharan interferencias en los parlantes, esto se puede solucionar aumentando la frecuencia de conmutación de la fuente.

Dentro de los circuitos digitales, se reduce el umbral, (al igual que cualquier interferencia o ruido proveniente de la fuente de alimentación), en la que los circuitos lógicos dan salidas incorrectas y/o datos dañados.

Mientras mayor sea el valor vpp, mas se acorta la vida útil de los componentes electrónicos, en particular los capacitores son los componentes mas afectados.

regulación de cargas y cargas cruzadas

esto es algo que pueden ver en muchos reviews, lo que tratan de evaluar, es la capacidad que tiene la fuente para responder ante distintos tipos de cargas, lo ideal seria que las tensiones se mantengan siempre lo mas cerca posible de los valores normales, 12V, 5V y 3.3V, tanto cuando la fuente tiene poca carga, como cuando esta al máximo, esto no siempre es posible, y casi imposible cuando hay algún rail con mucha mas carga que los otros.
Como había explicado, la fuente tiene un solo transformador, y de ahí salen las distintas tensiones, ademas ese transformador esta controlado por un circuito de conmutación, es un PWM, que tiene la capacidad de variar su ciclo de trabajo para mantener tensiones de salidas constantes, lo que hace es medir la tensión en la salida, si esta demasiado baja, aumenta el porcentaje del ciclo de trabajo, y si la tensión es alta, baja el porcentaje, el problema es que al aumentar o disminuir el ciclo de trabajo, varían todas las tensiones.

Por ejemplo si pones una carga de 40A en la linea de 12V, la tensión puede bajar hasta 11.4V, mientras que las de 5V y 3.3V se mantienen constantes, si la fuente quiere mantener los 12V en un valor mas cercano, al mismo tiempo, los 5V y 3.3V van a aumentar un poco.

Hay muchas cosas que hacen que esta regulación sea mejor o peor, por ejemplo, se puede tomar como referencia la tensión de 12V, o la de 5V, o una mezcla de las 2, cada una tiene sus ventajas y desventajas, no tiene mucho sentido analizar como lo hace cada fuente, simplemente con mirar algún review pueden saber que fuente responde mejor a los distintos tipos de carga que otra.



PFC

para empezar, se define factor de potencia, f.d.p., de un circuito de corriente alterna, como la relación entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S. Da una medida de la capacidad de una carga de absorber potencia activa. Por esta razón, f.d.p = 1 en cargas puramente resistivas; y en elementos inductivos y capacitivos ideales sin resistencia f.d.p = 0.
mas información factor de potencia

el power factor correction, (corrección del factor de potencia) puede estar en una fuente, o no, no es imprescindible, en el funcionamiento de la fuente explique que la primer etapa de la fuente, era rectificar los 220 o 110 Vac en 310Vdc, en este proceso de rectificación, se utiliza un puente rectificador de diodos y unos capacitores para filtrar, el problema con esto, es que la corriente al ser alterna, tiene un momento donde la tensión es mas alta, y otros donde es mas baja, entonces cuando la tensión supera la tensión del capacitor, se toma demasiada corriente de la red, la suficiente como para suministrar a la fuente lo que necesita, mas otra cantidad de energía para cargar el capacitor, y cuando la tensión es baja, el capacitor entrega su energía para mantenerla constante. Entonces el consumo no es constante, hay periodos donde el consumo es enorme, y otros donde es muy poco, esto genera varios problemas, genera un alto contenido de armónicos en la red eléctrica, aumenta el calentamiento de los cables del edificio, de los transformadores de la red publica, de los motores, etc y puede generar interferencias en otros aparatos electrónicos, esos armónicos e interferencias también se puede eliminar usando filtros, pero son mas costosos, y no corrigen el problema de las diferencias de consumo entre cada periodo, por eso en los países mas desarrollados, ya tienen leyes que exigen el uso de PFC en todos los aparatos electrónicos que superen cierto consumo, y ademas el certificado 80+ también exige el uso de PFC, el objetivo es que el consumo sea lo mas lineal posible.

Hay 2 tipos de, el PFC pasivo consiste es la manera mas simple de corregir el factor de potencia, consiste de componentes pasivos, como inductores y/o capacitores, que solo dejan pasar la corriente con la frecuencia de la linea, 50hz o 60hz. Las desventaja es que los inductores son de mayor tamaño, y es menos eficaz en la mejora del factor de potencia.

El PFC activo, incluye CI para cambiar la forma de onda de la corriente consumida por una carga para mejorar el factor de potencia. En el caso de las fuentes de PC se inserta un boost converter entre el puente rectificador y los principales condensadores de entrada.
Las ventajas que tiene, es que mejoran al máximo el factor de potencia, el diseño es mas sofisticado, pero los componentes son mas baratos, ya que usan capacitores e inductores mas pequeños, y algunas fuentes con PFC activo se ajustan automáticamente entre 220V o 110V, y no como algunas que tienen una perilla.

En definitiva, el PFC, lo que busca, es un consumo mas parejos de cargas no lineales, no necesariamente disminuir el consumo, pero en vez de consumir 1000W un instante y 0W en otro, se busca 500W de consumo constante, y evitar los problemas que genera eso, pero realmente no es algo que afecte al funcionamiento de la fuente, y tampoco creo que por tener una fuente sin PFC afecte mucho a la red publica, siendo que el 99% de las PC hogareñas usan fuentes genéricas sin PFC, tampoco creo que se calienten los cables de tu casa

están todos invitados a comentar sus opiniones y discutir sobre el tema.

un saludo a todos.
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