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Qué es el PFC activo de una fuente de alimentación

Para que un ordenador funcione, este necesita estar conectado a la corriente eléctrica, y que un transformador, la que conocemos como la fuente de alimentación, procese la electricidad de la red eléctrica y la adapte para que no se dañen los circuitos de la placa base, la tarjeta gráfica, la PCU ni ningún componente interno. Idealistamente, la electricidad que entra sería la misma que la que sale, pero no es así dado que en el proceso de transformación, parte de la electricidad se va a perder en forma de calor, y para evitarlo está el circuito PFC del transformador, que puede ser pasivo o activo.

PFC activo o pasivo para ahorrar electricidad

La transformación de energía en calor se debe a que cuando se procesa la electricidad en los transformadores, el proceso genera calor con su uso. Como dice el primer principio de la termodinámica, «la energía no se crea ni se destruye, se transforma«. Esto es, ¿qué pasa si la energía que entra se transforma en calor? Que no se puede aprovechar en el dispositivo. Se está perdiendo energía por el mero hecho de pasarla por la fuente de alimentación y regular su voltaje y tensión.

El circuito PFC de una fuente de alimentación, en palabras sencillas, trata de que se pierda el mínimo de energía en la transformación. Trata de corregir el factor de potencia mediante bobinas y condensadores para así ahorrar energía. En un usuario doméstico, la corrección del factor de potencia no le supondrá mucho. pero para un edificio enorme, o una nave industrial, no es raro ver que al lado de los muchos diferenciadores de la red eléctrica, hay grandes fusibles y condensadores. A una mayor escala, una

Ante todo, qué es el circuito PFC

La corrección activa del factor de potencia de una fuente de alimentación se refiere al método de aumentar el factor de potencia mediante el uso de circuitos electrónicos activos con retroalimentación que controlan la forma de la corriente extraída. Hay controladores PFC comerciales que pueden realizar esta tarea.

Esto es necesario porque las fuentes de alimentación convencionales no PFC AC-DC, un gran condensador de filtro «Co» se coloca directamente después de puente rectificador.

Rectifier circuit

En las fuentes de alimentación lineales, el rectificador se conecta a través de un transformador de baja frecuencia. Por su parte, en las fuentes de alimentación conmutadas fuera de línea, se alimenta de la entrada de CA. En ambos casos, una vez que «Co» se carga hasta casi el pico de la tensión rectificada, la mayoría de las veces, los diodos estarán en polarización inversa y no conducirán la electricidad. Por ello, una fuente de alimentación de este tipo tomará energía de la línea en pulsos cortos cuando la tensión de entrada instantánea supere la tensión a través del condensador. Así se producen harmónicos cuyo nivel puede superar una norma aplicable y afectar negativamente a otros usuarios.

Para consumir una corriente sinusoidal continua durante todo el ciclo de CA, podemos colocar una inductancia antes de «Co». En el PFC pasivo, la inductancia es grande y no está controlada. Suele corregir el FP a 0,7-0,85, con lo que bastante energía se pierde en forma de calor. Es por esto por lo que el PFC pasivo está end esuso para ordenadores y electrodomésticos grandes y se reserva especialmente para cargadores de móviles y pequeños dispositivos electerónicos. Se usa cuando la demanda energética está por debajo de los 100 W, cuando no se requiere un elevado FP y no es necesaria la regulación del enlace de CC.

En la mayoría de las demás aplicaciones se utiliza un método activo, que es como se llama al PFC activo. Este es un esquema conceptual del convertidor PFC boost activo.

Active PFC circuit

El inductor «L» está controlado por un interruptor de estado sólido denominado «Q». El circuito de control activa y desactiva este interruptor a una frecuencia «F» muy superior a la de la red.

Diferencias entre PFC activo y PFC pasivo

El PFC pasivo es un sistema de corrección que emplea bobinas y condensadores para mejorar el factor de potencia que recibe la fuente. Es una forma barata de solucionar el problema la pérdida de electricidad en forma de calor, pero no lo soluciona completamente. La máxima corrección del factor de potencia que consigue un PFC pasivo es de 0,85.

En el caso del PFC activo, la corrección se realiza mediante una serie de circuitos integrados mediante MOSFET. El factor de potencia resultante es cercano al 0,99, con lo que casi toda la electricidad se transforma en potencia útil y muy poca es desperdiciada en forma de calor.

Como funciona el PFC Activo

Durante el tiempo de encendido «ton», la corriente en el inductor aumenta en ΔI+=Vin×ton/L. Cuando el interruptor se abre, la tensión a través de «L» se invierte y se libera toda o parte de la energía acumulada a través del diodo «D». Durante el tiempo de desconexión «toff», la corriente del inductor disminuye en ΔI-=(Vo-Vin)×toff/L.

El cambio neto durante un período «T» es ΔI=ΔI+-ΔI-=(Vin-Vo+D×Vo)/LF, donde D=ton/T-(Ciclo de trabajo), F=1/T. Variando el ciclo de trabajo «D» podemos variar ΔI. Si se hacemos correctamente, podemos sintetizar una forma de I(t) deseada.

Block diagram of active PFC control

Arriba se muestra un diagrama de bloques simplificado del control PFC. Contiene dos amplificadores de error: uno lento para la tensión (Vea) y otro rápido para la corriente (Iea). Una réplica de la forma de onda de entrada rectificada «Vin» se introduce en el multiplicador, que produce la señal de programación Iref para Iea, que controla la corriente a través de una resistencia sensora Rs y la compara con Iref.

Al variar la señal de control del modulador de ancho de pulso (PWM), el «Iea» obliga a que el valor medio de la corriente siga la forma de la tensión de red. «Vea» controla «Vo» a través de un divisor y lo compara con la referencia «Vref». La señal de error de «Vea» escala la salida del multiplicador sin cambiar su patrón de onda sinusoidal.

Como resultado, este complejo circuito puede realizar dos tareas simultáneamente. La priemra es crear una corriente sinusoidal y regular la tensión de bus «Vo». Así se permite a los diseñadores alcanzar un «FP» tan alto como de 0,99, para no desaprovechar la electricidad. Pero esta técnica de corrección del factor de potencia aborda únicamente los armónicos de frecuencia de línea.

Sigue siendo necesario un filtro EMI para poder reducir los componentes de alta frecuencia generados por el funcionamiento en modo de conmutación de los convertidores de potencia. Este filtro puede causar algunos efectos negativos. Sus inductores de modo diferencial y condensadores a través de la línea pueden introducir cierto ángulo de desplazamiento entre «Vin» e «I», que no se corrige por el circuito PFC posterior. Este efecto puede ser un problema si en su aplicación también tiene que cumplir con cierto límite mínimo de PF.

Por qué se usa el PFC activo

Ahora toca una explicación sencilla: cuando una fuente de alimentación puede producir, 900 W de energía a una placa base y tarjeta gráfica, la electricidad que llega al PC no será la misma que se consume. En el proceso de transformación, inevitablemente esa fuente de alimentación eprderá cierta electricidad en forma de calor. Por ello el PFC trata de hace5 que esa electricidad se pierda lo menos posible.

El uso del PFC está muy extendido porque ayuda a reducir el coste eléctrico, especialmente el PFC activo para electrodomésticos y ordenadores. El PFC pasivo ya solo se usa en dispositivos móviles y de pequeño voltaje debido a que la energía perdida en calor, es mucho menos en cantidad que si estuviera nutriendo un PC completo. Además, al menos en la Unión europea, desde 2001 es un mínimo impuesto para cumplir con los requisitos 80 PLUS.

El uso de PFC activo se puede resumir en que se consume menos energía que con el PFC pasivo al aprovechar mejor la energía que recibe.

¿Podemos mejorar el factor de potencia de una fuente de PC?

El paso de un PFC pasivo a un PFC activo ya supone una mejora considerable en el factor de potencia de una fuente. Pero hay que entender que al menos desde hace casi 20 años, todas las fuentes de alimentación de PC ya son con PFC activo debido a la alta cantidad de energía que mueven para así no desperdiciar energía.

fuente-alimentacion-abierta-80plus

Muy seguramente la fuente de alimentación que tengas para tu PC ya tiene un factor de potencia cercano al 0,90 o incluso uno suprior. De no tenerlo, es posible aumentarlo con condensadores y MOSFET que mejoren la retención de energía. Pero hacerlo en un taller casero es arriesgado y puede dañar la fuente de alimentación de hacerlo mal. También puede ser ineficiente, puesto que el factor de potencia que se aumentaría y la energía que se ahorraría puede no ser suficiente para compensar la compra de mejores condensadores y el tiempo invertido.

Si crees que puedes mejorar el factor de potencia de tu fuente de alimentación, consulta antes con un ingeniero electrónico. Puedes consultar los detalles de factor de potencia, de tu fuente de alimentación, y si ves que está lejos del 0,99 y se puede aumentar, es posible, pero no seguro.

Para un usuario doméstico, mejorar el factor de potencia puede no ser tan grave ni importante. Pero para una serie de equipamientos profesionales, como una granja de renderizado o puestos de trabajo de alta gama que requieren por la naturaleza de su trabajo estar activos constantemente, un aumento del factor de potencia es una reducción de la energía consumida a largo plazo porque se esté reduciendo porcentualmente el consumo a gran escala.

Usando un SAI con PFC Activo

Los SAI (siglas de Sistema de Alimentación Ininterrumpida) son una combinación de una serie de filtros de corriente para proteger el equipo junto con una batería que lo alimentará en caso de apagón. Los podemos ver como una reserva de energía en el caso de apagones ocasionales o una caída de la red eléctrica. Con esto, tendremos tiempo de apagar el PC de forma segura, o incluso seguir utilizándolo por un tiempo según el tamaño de la batería. Son imprescindibles en estaciones de trabajo, para que, una vez veamos que ha habido un apagón, podamos guardar el trabajo sin perderlo, dado que no confiamos en los guardados automáticos de los programas.

Salicru Sai SPS Net DC

Los SAI para PCs pueden ser de tres tipos:

  • Standby: Los más económicos. La corriente pasa por los filtros y va directo al PC. Cuando se cae la corriente, un interruptor pasa la corriente suministrada por la batería.
  • Interactivos: Tienen sistemas adicionales de protección que compensan las bajadas de tensión y los problemas de voltaje en las líneas.
  • Online: La corriente pasa por la batería convertida a corriente continua en todo momento y es convertida otra vez en corriente alterna pero de alta calidad.

EL PFC activo suele tener problemas con los SAI debido a la forma de la onda de corriente que nos proporciona a la fuente de alimentación cuando nos suministra desde la batería. La onda ideal, llamada sinodal o sinusoidal, tiene un recorrido de la tensión perfectamente fluido, mientras que cuando el SAI alimenta mediante la batería, una onda pseudosinusoidal, que se acerca a la ideal, pero no lo es exactamente debido a que la onda de la tensión está más «escalonada e irregular» a falta de un mejor término para describirlo.

Un SAI de baja calidad no ofrece la mejor tensión para una fuente de alimentación con el PFC activo. Lo ideal es usar un SAI interactivo o uno online para que se pueda nutrir el ordenador y no dañar la fuente de alimentación.

Los circuitos necesarios para producir una onda sinodal perfecta partiendo de la corriente continua de la batería son caros. Por eso, muchos SAI que se venden a bajo se limitan a acercarse el máximo posible. La mayoría de SAIs de tipo standby e interactivos generan una onda pseudosinusoidal mientras que existen algunos interactivos, y todos los online que tienen una salida sinodal.

Si tienes una fuente de alimentación con PFC pasivo, como puede ser la del móvil, no pasa nada. Pero si tienes PFC activo, el SAI puede no cumplir con su función si es uno de baja calidad. En el momento en el que empieza a recibir corriente desde la batería, la fuente de alimentación corre un serio riesgo de que la PSU detecte esa corriente pseudosinusoidal como insuficiente y corte el suministro. Existe una pequeña excepción, en la que si en el momento que pasas a batería estás usando una proporción muy baja del posible suministro del SAI, probablemente la fuente de alimentación no se apague.

Una solución, si no quieres gastar mucho dinero en un SAI interactivo o uno online, es usar un circuito de protección. Aunque idealmente, habría que asegurarse de que el SAI puede reproducir la sonda sinusoidal en el caso de que dicho circuito de protección falle.

Conclusión

Queda claro que el PFC activo regula la pérdida de energía en forma de calor, con ello reduciendo la factura eléctrica, especialmente en casos a mayor escala.

Puedes aumentar el de tu fuente de alimentación, pero requiere de conocimientos de ingeniería electrónica para poder hacerlo fácilmente. Además, si lo usamos con un SAI, debe de ser uno de calidad porque puede tomar como una corriente sucia si no es un SAI de buena calidad al no ofrecer una onda de voltaje correcta.

El PFC activo es lo que ha hecho que hoy día podamos disfrutar de equipos con un considerable consumo eléctrico. Pronto van a estar disponibles fuentes de alimentación de más de 1000 W para potenciar gráficas de alto consumo. En el caso de tener un factor de potencia de 0,99, el consumo a tope de esos 1000 W sería de unos 1010 W con un PFC activo. eso es que 10 W se están convirtiendo en calor, lo cual es muy poco comparado con als cifras que nos darían factores de potencia más cercanos al 0,85 como es el límite del PFC pasivo.

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Benjamín Rosa

Madrileño cuya andadura editorial empezó en 2009. Me encanta investigar curiosidades que después os traigo a vosotros, lectores, en artículos. Estudié fotografía, habilidad que utilizo para crear fotomontajes humorísticos.

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