Control del Factor de Potencia (PFC)
Fecha 10/08/04 a las 02:00
Tema Agalisa


La normativa europea exige que las fuentes de alimentación de un PC incluyan una corrección del factor de potencia (PFC son sus siglas en inglés), para garantizar la máxima eficiencia. Sin embargo, la existencia de este dispositivo y su razón de ser son prácticamente desconocidas para el usuario. Adentrémonos un poco en este interesante tema.



Estando especializada nuestra empresa Agalisa Informática en la venta de cajas de ordenador y accesorios, entre ellos las fuentes de alimentación, una pregunta común de nuestros clientes es la de explicar qué es eso del PFC que llevan las fuentes de alimentación actuales. Como en muchas webs y distribuidores las cosas no quedan nada claras nos hemos puesto manos a la obra para intentar haceros llegar un artículo que os ayude a comprender esta "tecnología".

La fuente de alimentación

Todos sabemos que los enchufes de nuestras casas nos ofrecen corriente eléctrica con una tensión entre 220 y 250 voltios, y en alterna (la corriente y tensión varían arriba y abajo a una frecuencia determinada; en España 50Hz). Es decir, que el enchufe nos entrega el suministro eléctrico como si fuera un mar con "olas": el oleaje viene representado por la frecuencia, es decir, cincuenta olas por segundo, y la altura de la marea representa el voltaje entregado. Cuando la marea está alta podemos tener habitualmente hasta 240 voltios en nuestro enchufe y cuando la marea está baja, podemos bajar hasta 200 voltios o incluso menos. El nivel de marea depende de muchos factores pero básicamente dependerá de la cantidad de energía que nuestra compañía eléctrica esté metiendo en sus líneas y de la cantidad de energía que estén consumiendo los usuarios. Si analizamos el voltaje medio de nuestro enchufe, es típico encontrarnos con que los picos de voltaje son más altos a mediodía y sobre todo por la noche (menor consumo ya que fábricas y oficinas están cerradas), y más bajos en los periodos de actividad.

Esta tensión, por lo mencionado antes, es poco estable y tiene mucho "ruido". La estabilidad, como hemos dicho, depende de muchos factores, y el ruido al que hacemos referencia es el ruido eléctrico, que son perturbaciones eléctricas que máquinas, la red, las líneas o las influencias externas de interferencias de tipo electromagnético introducen en nuestro suministro eléctrico.

Por otra parte, los diversos componentes de un ordenador necesitan tensiones de 3'3, 5 y 12 voltios, en continua (en oposición a la corriente alterna "con oleaje", la corriente contínua es "la ausencia total de oleaje", como una piscina sin gente en donde el agua está lisa como un espejo, y será de mayor o menor voltaje cuanto más o menos llena esté la piscina) y además extremadamente estables (variaciones de menos del 10%. Siguiendo con nuestro símil de la piscina, si hace algo de viento y se crean olas en la superficie del agua o alguien está nadando, las "olas" que se produzcan han de ser muy pequeñitas). Es precisamente aquí en donde entra en juego la fuente de alimentación de nuestro ordenador: su función consiste en tomar los 220 voltios de la red eléctrica de la casa, convertirlos de alterna a continua, rebajar su valor a los exigidos, y garantizar la estabilidad de éstos en ese rango del 10% (Las fuentes de muy alta calidad pueden llegar a rangos del 5%).

Por desgracia, una fuente de alimentación no es un sistema ideal, y su eficiencia no es del 100%, por lo que parte de la energía tomada de la red se pierde en forma de calor. El rendimiento de las fuentes suele estar entre el 60% y el 80% (esto es, del total de energía tomada de la red eléctrica, se aprovecha entre el 60 y el 80 por ciento, y el resto se disipa en forma de calor desaprovechado).

Parte del problema de la eficiencia viene por lo que se denomina "desadaptación de impedancias": al trabajar con corriente alterna, es importante que un parámetro, la impedancia, sea igual para la línea eléctrica que para la fuente. Si ésto no se cumple, se producen pérdidas. La impedancia de un circuito, en líneas generales, es una respuesta que da el circuito cuando se le aplica una señal eléctrica. La adaptación de impedancias implicaría que el suministrador de energía y el circuito se comportan de igual forma ante las distintas componentes de la señal eléctrica.

El problema de las impedancias

La impedancia es un parámetro fundamental de una línea de transmisión y de cualquier elemento conectado a ella. De la relación entre los valores de una y otra dependerá en buena medida la eficiencia de la transferencia de energía entre uno y otro elemento.

Cuando trabajamos con corriente alterna, la tensión (voltaje o "altura de la piscina") y la corriente (amperaje o intensidad de la energía) varían en el tiempo siguiendo la forma de onda senoidal de un coseno. Sin embargo, sólo cuando ambas variaciones coinciden en el tiempo es cuando conseguimos una transferencia máxima. Si hay algún desfase entre ellas, perderemos algo de energía, más cuanto mayor sea dicho desfase.


Cuando las crestas y valles de la corriente y tensión no coincidan en el tiempo, tendremos desadaptación de impedancias y, por tanto, pérdida de eficiencia.

Al coseno de ese desfase se le llama factor de potencia, y depende de las impedancias de los dos elementos que conectemos (en este caso dependerá de la impedancia de la línea eléctrica y la de la fuente de alimentación).

Podemos usar una metáfora de fontanería para entenderlo mejor: si la línea eléctrica y la fuente de alimentación fuesen tuberías, podríamos asociar su diámetro con la impedancia. Si las encajamos y los diámetros no coinciden, parte del agua (energía eléctrica) se perderá en la junta.


Si comparamos la línea eléctrica y la fuente de alimentación con un sistema de tuberías, la desadaptación de impedancias equivale a conectar dos tubos de distinto diámetro: parte del líquido se pierde en la unión, tanto más cuanto mayor sea la diferencia de diámetros.

Hay que hacer notar que ésto es sólo un símil: en el caso de la corriente eléctrica, esa energía, que aparentemente se pierde, en realidad es devuelta a la red eléctrica, produciéndose un vaivén de energía entre la central y nuestra casa. Las consecuencias de ésto las veremos más adelante.

Para que una fuente se adapte perfectamente a la línea eléctrica, es preciso que su impedancia sea únicamente resistiva, esto es, que se comporte como una resistencia pura -se opone al flujo de corriente a través de sí misma-. Por desgracia, a la entrada de los circuitos suele haber un condensador -usado como filtro y estabilizador-, lo que convierte a la carga en capacitiva y provoca una seria desadaptación de impedancias.


En cambio, cuando la impedancia de la línea eléctrica y la de la fuente coinciden, el resultado es una transferencia perfecta, sin pérdidas, y una mayor eficiencia.

Circuitos controladores del factor de potencia (PFCs)

Para resolver esta situación se suelen añadir bobinas -usadas en filtros y transformadores-, las cuales, al tener una impedancia inductiva, contrarrestan la capacitiva de la fuente: son los denominados "circuitos de corrección de factor de potencia pasivos". El problema es que, con elementos pasivos como las bobinas, no es posible anular por completo la desadaptación debido a que la tensión en la línea no es estable. Además, obliga a ajustar manualmente el voltaje de la fuente (el clásico conmutador de "110/220 voltios". Estos circuitos, los más baratos, tan solo permiten aumentar la eficiencia hasta un valor razonable. (Un circuito pasivo es aquel que responde de una forma predefinida a las características de la señal que lo atraviesa sin analizarla, de forma que suele tener buenos comportamientos en un margen de alimentación estándar pero que cuando el funcionamiento del circuito se sale de su situación ideal el comportamiento no es tan bueno).

Sin embargo, gracias al constante abaratamiento de la electrónica, hoy en día resulta factible construir por un precio razonable adaptadores activos de impedancia, los cuales pueden lidiar mucho mejor con los cambios que se producen en una fuente conmutada de PC y mantener el factor de potencia próximo a la unidad. Con un controlador activo sería posible, en teoría, superar el 95% de eficiencia. El inconveniente es que las fuentes dotadas con estos circuitos son algo más caras que las que no los llevan. (Los circuitos activos son aquellos que, de una u otra forma, son "inteligentes", y por tanto adaptan comportamiento ante la señal eléctrica, en función de unas especificaciones de diseño. Son circuitos correctores muy efectivos).


Un circuito PFC ajusta la impedancia de la fuente a la de la línea eléctrica, de igual forma que una junta ajusta los diámetros de dos tuberías.

Ventajas del control de factor de potencia

La ventaja del control del factor de potencia es más bien para las compañías eléctricas. Como dijimos antes, las pérdidas de energía no son tales, pues la energía que no se aprovecha por culpa de la desadaptación no se consume en nuestro hogar, sino que es devuelta de forma íntegra a la propia red (este proceso es cíclico: el circuito absorbe un extra de energía y luego lo devuelve, vuelve a absorber el extra y lo devuelve...). Nuestro contador de la luz no detecta este movimiento, por lo que, en lo que a nosotros se refiere, nos cobrarían lo mismo con y sin control de factor de potencia. Pero a la compañía eléctrica este vaivén de energía sí le provoca pérdidas, pues parte de ella se disipa en los cables en forma de calor, y es energía por la que no recibirá ni un céntimo (como hemos dicho, nuestro contador de la luz mide el consumo real, no el aparente). Por esta razón, las leyes europeas obligan a que el factor de potencia de todos los aparatos eléctricos esté por encima del 0'95, lo que significa que, en Europa, todas las fuentes de alimentación deben incluir al menos un PFC pasivo. En aquellos casos en donde no es posible conseguir ese factor (talleres mecánicos, industrias, etc), las compañías eléctricas aplican una tarifa diferente, cobrando más por la electricidad para compensar estas pérdidas.

Sin embargo, sí es cierto que la corrección del factor de potencia ofrece algunas ventajas al usuario. La primera de ellas es la reducción del ruido eléctrico que la fuente introduce en la red. Este ruido puede causar interferencias en otros sistemas (televisores, radios, cadenas de música, otros ordenadores), y será menor cuanta mayor calidad tenga la circuitería de control. Un "ruido" de este tipo que es muy común, porque lo oimos, es cuando un teléfono móvil se oye por la radio o hace interferencias en la televisión... ese es un ruido electromagnético que vemos y oimos, pero también hay un ruido eléctrico que este tipo de aparatos eléctricos introducen en "los enchufes".

Otra ventaja es la mayor inmunidad a interferencias y picos de tensión de estas fuentes. Estas variaciones de tensión bruscas (producidas, por ejemplo, cuando el motor de una lavadora se pone en marcha o se para, o al encender algún aparato de mucho consumo) pueden llegar a ser demasiado fuertes como para que la fuente en sí pueda anularlas, pudiendo provocar cuelgues del ordenador o errores. La circuitería de control de factor de potencia aumenta la capacidad de filtrado de la fuente, consiguiendo así una mayor inmunidad.

Conclusión

Una vez explicado todo ésto, vemos que una fuente con corrección de factor de potencia es una fuente como las demás, salvo por el hecho de que son menos "ruidosas" (eléctricamente hablando) y más estables ante picos de tensión. Esto desmonta la mayoría de los mitos sobre estas fuentes, del tipo "Las fuentes con PFC no son compatibles con las placas actuales", o "Con una fuente PFC el ordenador va más rápido". Los beneficios aparecen del enchufe hacia afuera, pero de enchufe para adentro se comportan igual que las fuentes normales.

Más información en: DansData (en inglés).

Más información en: HighPowerSypply (en inglés).

Más información en: EndPCNoise (en inglés).







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