Fuente de alimentación

La energía que llega por el tomacorriente no se puede conectar directamente a ningún componente de la computadora. Hay dos motivos, y los dos son de fondo:

• Es corriente alterna (CA). La red entrega 220 V a 50 Hz: la onda completa 50 ciclos por segundo y en cada ciclo cambia de sentido dos veces. Toda la electrónica digital, en cambio, necesita corriente continua (CC): un valor fijo y siempre en el mismo sentido.
• Su tensión es altísima para un chip. Los 220 V destruyen en el acto cualquier circuito integrado. Los componentes de una computadora trabajan con 12 V, 5 V o 3,3 V, y en el interior del procesador con poco más de 1 V.

La fuente de alimentación resuelve los dos problemas a la vez: reduce la tensión y convierte la corriente alterna en continua. Después mantiene esa continua estable y la reparte por todos los componentes: la placa madre, el procesador, la placa de video, los discos, los ventiladores.

Qué tiene que entregar una fuente

Una computadora no usa una sola tensión: usa varias al mismo tiempo, y cada componente toma la que necesita. Por eso la fuente no tiene una salida, sino un conjunto de rieles (en inglés, rails), cada uno con su tensión.

Las cuatro etapas de la conversión

Pasar de 220 V de alterna a 12 V de continua no es un solo paso: es una cadena de cuatro etapas, y cada una hace una sola cosa. En los libros de electrónica se presentan en este orden:

1. Transformación. Un transformador baja la tensión de 220 V a un valor manejable, por ejemplo 12 V. De paso aísla eléctricamente la red del resto del circuito.
2. Rectificación. Un conjunto de diodos convierte la alterna en una continua que todavía "late": sube y baja cien veces por segundo.
3. Filtrado. Los capacitores rellenan los valles entre pulso y pulso y dejan la señal casi recta.
4. Regulación. Un último circuito mantiene el valor fijo, aunque cambie el consumo o cambie la tensión de la red.

Este esquema describe las fuentes lineales, las más fáciles de entender. La fuente de una computadora es una variante más eficiente —la fuente conmutada— cuyo orden interno cambia; lo vemos más abajo, en La fuente conmutada.

La rectificación: convertir la alterna en continua

La rectificación es la etapa central de todo el proceso, y se hace con diodos. Un diodo es un componente que deja pasar la corriente en un solo sentido: cuando la tensión lo empuja en el sentido permitido conduce y se comporta casi como un cable; cuando la tensión viene al revés se comporta como un interruptor abierto.

Esa propiedad, que en cualquier otro circuito parece una limitación, es justo lo que hace falta para "domesticar" una onda alterna. La alterna pasa la mitad del tiempo en positivo y la otra mitad en negativo; el diodo deja pasar la mitad positiva y bloquea la negativa.

Media onda y onda completa

Con un solo diodo se rectifica media onda: se aprovecha la mitad de la energía y la otra mitad se pierde. El resultado son pulsos separados por pausas del mismo tamaño, y eso es un desperdicio enorme.

Para no perder nada se usan cuatro diodos en puente (el puente rectificador), que es lo que llevan todas las fuentes. En el puente los diodos se acomodan de manera que los dos semiciclos salen por el mismo lado: cuando la alterna se pone negativa, el puente la "da vuelta" en lugar de bloquearla. El resultado son pulsos hacia arriba, uno cada 10 milisegundos: el doble de seguido que con media onda.

El filtrado: alisar los pulsos

El filtro se hace con capacitores. Un capacitor es un componente que almacena energía: se carga cuando la tensión sube y la devuelve cuando la tensión baja. Conectado a la salida del puente, se carga en cada pico y se descarga lentamente en los valles, rellenando justamente el hueco donde la onda caía a cero.

En la figura anterior se ve el efecto: la tercera curva es la salida ya filtrada. Ya no llega a cero, pero tampoco es una línea perfecta. A la pequeña variación que sobrevive al filtrado se la llama rizado (en inglés, ripple). No se elimina del todo: se reduce aumentando la capacidad del capacitor o trabajando con una frecuencia más alta.

La regulación: mantener el valor

Filtrar no alcanza. Aunque la línea quede alisada, su valor todavía cambia por dos motivos:

• Porque cambia el consumo. Cuando el procesador pasa de estar casi quieto a trabajar al máximo, pide mucha más corriente en pocos microsegundos. Más consumo sobre la misma fuente significa menos tensión a la salida.
• Porque cambia la red. La tensión del tomacorriente no es siempre 220 V exactos: sube y baja según la hora y según cómo esté hecha la instalación.

La regulación es la etapa que compensa esas variaciones y mantiene cada salida clavada en su valor. El método se llama realimentación (en inglés, feedback): un circuito mide permanentemente la tensión de salida y la compara con la que debería haber; si está baja, ordena a la etapa anterior que entregue más energía, y si está alta, que entregue menos. Es un lazo que se corrige solo, miles de veces por segundo.

La corrección tiene que ser rápida. Cuando el procesador demanda un pico de corriente, la fuente necesita responder antes de que la tensión caiga lo suficiente como para que la computadora se reinicie.

Cómo lo hace realmente una fuente de PC: la fuente conmutada

La fuente de una computadora no es lineal, sino conmutada (en inglés, SMPS, switched-mode power supply). Su secuencia interna no empieza bajando la tensión como en la fuente lineal, sino rectificando primero la tensión de red tal como llega. Estos son los pasos reales:

1. Filtro de entrada. Un pequeño filtro con bobinas y capacitores frena el ruido que viene de la red y el que la propia fuente devuelve. Ahí también está el fusible.
2. Rectificación primaria. Un puente de diodos y su capacitor convierten los 220 V de alterna en una continua de unos 311 V. El valor queda más alto que 220 porque lo que se retiene es el pico de la onda, no su valor promedio.
3. Conmutación. Unos transistores de potencia (MOSFET) trabajan como interruptores: cortan y vuelven a conectar esos 311 V miles de veces por segundo. La tensión deja de ser continua y se convierte en una sucesión rapidísima de pulsos.
4. Transformador de alta frecuencia. Esos pulsos atraviesan un transformador de ferrita, que baja la tensión al valor que se necesita y, sobre todo, aísla la salida de la red. Como trabaja a decenas de miles de hertz y no a 50 Hz, puede ser muchísimo más chico: es la razón por la que una fuente de PC es liviana y compacta.
5. Rectificación secundaria y filtrado. Del otro lado del transformador, otros diodos —rápidos, porque los pulsos son muy veloces— y otros capacitores vuelven a convertir esos pulsos en continua, ahora de 12 V, 5 V y 3,3 V.
6. Regulación por realimentación. Una parte de la tensión de salida vuelve a la etapa de conmutación para indicarle si hay que entregar más o menos. Como la salida está aislada de la red, ese aviso cruza por un optoacoplador: un LED y un fototransistor enfrentados dentro del mismo encapsulado, por donde la información pasa como luz y no como electricidad.

V_pico = V_eficaz × √2 ≈ 220 V × 1,414 ≈ 311 V

Por qué conmutada y no lineal

Una fuente lineal "quema" en forma de calor toda la tensión que sobra, y por eso rara vez pasa del 40 % o 60 % de eficiencia. La conmutada no disipa ese excedente: lo corta en pedazos y lo vuelve a armar del otro lado del transformador, con lo que alcanza eficiencias del 80 % al 92 %. Esa es la razón por la que la fuente de una computadora entrega cientos de watts desde una caja chica y apenas tibia, mientras que una fuente lineal de esa potencia sería enorme, pesada y muy caliente.

El precio de ese diseño es que la conmutación genera ruido eléctrico de alta frecuencia. Por eso las fuentes conmutadas se filtran tanto a la entrada como a la salida.

El aislamiento galvánico

Hay un detalle de seguridad que pasa desapercibido y es central: el transformador no une eléctricamente la red con la computadora. La energía lo atraviesa por campo magnético, sin que exista un camino de cables entre el lado de 220 V y el lado de baja tensión. A eso se lo llama aislamiento galvánico.

Gracias a él, la parte de baja tensión de la fuente no tiene ninguna conexión con los 220 V: si tocás la carcasa del gabinete no hay riesgo de descarga, y la "masa" de la computadora no es un cable de la red sino la tierra de la instalación eléctrica.

En una fuente abierta el aislamiento se ve a simple vista: sobre la placa hay una franja sin pistas, muchas veces con una ranura cortada, que separa las dos zonas. De un lado está todo lo que trabaja con 220 V (el puente rectificador, el capacitor grande, los transistores); del otro, la parte de baja tensión. El transformador y el optoacoplador son los únicos elementos que cruzan esa frontera, y los dos lo hacen sin contacto eléctrico.

Las protecciones

Una fuente entrega cientos de watts a muy baja tensión, y eso significa corrientes altísimas. Cualquier falla puede terminar en humo o en fuego, así que las fuentes modernas incorporan circuitos que apagan la salida en cuanto detectan algo fuera de lo normal. Las siglas son siempre las mismas:

Por eso, cuando una fuente "no arranca", muchas veces no está rota: está protegiéndose. En ese caso hay que buscar la causa real —un cable pelado, un cortocircuito, un componente en mal estado— antes de volver a encenderla.

¿Qué significa la certificación 80 Plus?

Toda la energía que la fuente no convierte en energía útil se pierde como calor, así que la eficiencia es el dato que más influye en cuánto consume y cuánto calienta. La certificación 80 Plus es un estándar independiente que mide esa eficiencia en tres puntos de carga —20 %, 50 % y 100 % de la potencia máxima— y clasifica la fuente en niveles.

El nivel Titanium no entra en la tabla porque se mide distinto: exige 90 % con apenas el 10 % de carga, 92 % al 20 %, 94 % al 50 % y 90 % al 100 %. Es el único nivel que pone un piso de rendimiento incluso con la fuente casi vacía, que es como pasa la mayor parte del tiempo una computadora de escritorio.

Los valores de la tabla corresponden a redes de 220-230 V. Una eficiencia mayor significa menos energía desperdiciada y menos calor dentro del gabinete. Y conviene recordar que el punto más eficiente de cualquier fuente está alrededor del 50 % de su carga: una fuente muy grande para el equipo que alimenta trabaja siempre en su zona peor.

Resumen

Video: cómo se construye una fuente

Para ver el proceso completo, de la corriente de la pared a las tensiones que entrega el conector: