lunes, 20 de enero de 2020

Alimentación de Aparatos Electrónicos

Para que funcionen bien los aparatos electrónicos es muy importante que les llegue la electricidad con las características necesarias. Cuando no es así pueden no encender, funcionar mal o incluso dañarse y causar daños.

Potencia

Los aparatos electrónicos suelen indicar en el propio aparato o en la documentación la potencia que necesitan en vatios. En algunas ocasiones lo que indican son los voltios y amperios que necesitan. Los voltios indican la diferencia de potencial entre dos puntos y los amperios la intensidad de la corriente. Multiplicando esos voltios por la intensidad de corriente podemos calcular la potencia: V * I = P.

La potencia indicada no es la que utiliza siempre el aparato sino la máxima que puede necesitar en un determinado momento si se utiliza el aparato al máximo de capacidades. Por ejemplo un ordenador con la pantalla apagada y poco uso del procesador consumirá mucha menos potencia que con la pantalla encendida y el procesador al máximo.
 
Deberemos tener contratado con la empresa de distribución de electricidad la suficiente potencia para todos los aparatos que queramos utilizar a la vez teniendo en cuenta su nivel de uso en cada momento.

Corriente Alterna y Continua

Se suelen utilizar dos tipos de corriente eléctrica: Corriente Alterna (CA) y Corriente Continua (CC). En inglés AC y DC (Alternating Current y Direct Current). En la alterna oscila el voltaje entre dos valores en el tiempo formando una onda, generalmente senoidal. Esa oscilación se mide en hercios (veces por segundo que completa el ciclo de la onda, pasando por los valores máximo y mínimo). Por ejemplo la frecuencia puede ser de 50 o 60 Hz (50 o 60 veces por segundo) como en el caso de las redes de distribución de energía eléctrica. La corriente continua siempre tiene el mismo voltaje.




A mayor intensidad de la corriente es necesario utilizar cables más gruesos, por eso para el transporte de una gran cantidad de potencia lo que se hace es aumentar el voltaje para poder transmitir la misma potencia con cables más finos.

Como es más sencillo aumentar y disminuir el voltaje de la corriente alterna mediante transformadores esta es la que se suele usar para el transporte de energía a grandes distancias, llegando hasta muchos miles de voltios. La electricidad que llega a las casas u oficinas tiene reducido el voltaje en centros de transformación a unos valores más bajos y menos peligrosos como 220 o 120 voltios dependiendo del país.

Fuentes de Alimentación, Adaptadores de corriente o Cargadores

Los aparatos electrónicos suelen utilizar corriente continua de baja tensión (por ejemplo 5 o 12 voltios) para el funcionamiento de sus circuitos. Algunas partes puede que también utilicen corriente continua con mayor voltaje o corriente alterna con el voltaje y frecuencia de la red eléctrica o con otros voltajes y frecuencias. Por esta razón todos los aparatos electrónicos precisan de un dispositivo llamado fuente de alimentación, adaptador de corriente o cargador que transforman la corriente alterna de la red eléctrica en los tipos de corriente que precisa el aparato.

Cuando es una pieza interna del aparato suele recibir el nombre de fuente de alimentación y proporcionar varios voltajes e intensidades a la vez. Este es el caso de las fuentes de alimentación de ordenadores de torre como la que se muestra en las siguientes fotos.





A la hora de elegir una fuente de alimentación para un ordenador de torre es necesario tener en cuenta la potencia necesaria para cada uno de sus componentes. En la etiqueta de la fuente se indica cuanta intensidad puede suministrar por cada voltaje.

El adaptador de corriente o cargador es un dispositivo externo que se conecta al aparato con un cable y suele proporcionar solo un voltaje en corriente continua. Luego internamente el aparato electrónico puede convertir esa corriente continua a otros voltajes que necesite.

Un ejemplo de esto son los adaptadores de ordenadores portátiles. En la siguiente foto se puede ver la etiqueta de un adaptador de corriente de portátil que proporciona 18,5 V y 3,5 A. Si lo multiplicamos nos da 64,75 W, mas o menos los 65 W indicados en la etiqueta.



El portátil u otro aparato internamente convierte la corriente continua a otros valores como 5 o 12 voltios para sus componentes o para cargar la batería. Por ejemplo en el artículo que escribí sobre la electrónica del ZX Spectrum 48K se puede ver como recibe 9 V de su adaptador de corriente e internamente tiene un regulador de voltaje que los convierte a 5 V.




Cuando el adaptador de corriente sirve para cargar una batería que tiene el aparato electrónico puede recibir el nombre de cargador.

Es muy importante que la fuente de alimentación o adaptador de corriente entregue los voltajes e intensidades necesarios para el aparato electrónico ya que si no el aparato podría no funcionar o incluso dañarse. Si el cargador tiene un amperaje menor del recomendado tardará más en cargarse el aparato.

Adaptadores de Corriente Universales


Como los adaptadores de corriente de portátiles u otros aparatos utilizan diferente voltaje y conector existen adaptadores de corriente universales que pueden suministrar diferentes voltajes con varios tipos de conector.






Adaptadores de Enchufe

Como dependiendo del país se utiliza un tipo de enchufe a la red eléctrica y también varía el voltaje y la frecuencia, si viajamos a otro país puede ser necesario utilizar un adaptador de enchufe con o sin cambio de voltaje y frecuencia.

Los adaptadores de corriente pueden tener un margen de voltaje y frecuencia y no necesitar que el adaptador de enchufe cambie el voltaje y la frecuencia. Por ejemplo en la etiqueta del adaptador de corriente de portátil mostrado anteriormente se indica que la entrada puede variar entre 100 y 240 voltios y 50 y 60 hercios, sirviendo para cualquier país.

ArnoldReinhold [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Hay adaptadores universales que sirven para los enchufes de varios países.

Cephira [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Adaptadores / Cargadores USB

Un tipo de adaptador / cargador muy utilizado es el USB. Usando los pares de cables de transmisión de energía de este estándar de transmisión de datos sirve para cargar la batería o alimentar directamente los móviles u otros aparatos que lo usan.

Originalmente la corriente suministrada por el estándar USB era de 5 V y 0,5 A, suficiente para los aparatos conectados a ordenadores. Las nuevas versiones del estándar pueden suministrar hasta 20 V y 5 A (100 W), lo que permite alimentar hasta aparatos grandes como los ordenadores portátiles.

Alcide55 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Los cargadores modernos tienen el cable intercambiable, lo que permite utilizar un mismo cargador para aparatos con diferentes conexiones (Micro USB, Mini USB, etc).

Energía

La energía es una potencia consumida durante un espacio de tiempo y es lo que debemos calcular para saber el consumo eléctrico que va a tener un aparato. Una determinada potencia consumida durante una hora nos da la energía medida en vatios-hora (Wh). Si tenemos un ordenador funcionando a 200 W durante 2 horas habremos gastado 400 Wh (0,4 kWh) de energía eléctrica. Si el kilovatio-hora nos cuesta 0,15 euros habremos gastado 0,2 euros (0,4 kWh x 0,15 € / kWh).

Baterías y Carga Eléctrica

Las baterías permiten almacenar energía eléctrica. Pueden estar fabricadas con diferentes materiales y tecnologías como iones de litio, polímero de iones de litio, níquel-metal hidruro o plomo y ácido. Cada tipo tiene unas características que las hace idóneas para unos usos determinados.

La carga eléctrica de las baterías se mide en miliamperios-hora (mAh). En las baterías también se indica un voltaje, aunque puede ser algo más bajo o alto según el nivel de carga. Cuando la carga es más alta el voltaje también es algo más alto. De igual forma al cargar una batería la carga avanza más rápido cuando está poco cargada y avanza más despacio cuando la carga es mayor. El aparato electrónico que usa la batería transforma ese voltaje variable a los voltajes fijos que necesita el aparato.

Los miliamperios-hora y el voltaje permiten calcular aproximadamente la energía que puede suministrar la batería multiplicando los miliamperios-hora por el voltaje. Si tenemos una batería de 700 mAh y 3,7 V la energía máxima que puede suministrar sería de 700 mAh * 3,7 V = 2590 mWh = 2,59 Wh.

Solomon203 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Si la capacidad de la batería del aparato no es suficiente se puede utilizar una batería externa, también conocidas como "powerbanks".

Santeri Viinamäki [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Cargadores de Baterías

Además de los adaptadores de corriente que sirven para cargar la batería que tiene el aparato electrónico internamente también existen cargadores de baterías a los que se conectan directamente las baterías para su carga. Cada tipo de batería necesita un cargador específico que tenga en cuenta sus peculiaridades.

Maxmust [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]


Pila de BIOS o UEFI

Los ordenadores disponen de un BIOS (Basic Input / Output System) o UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)  con la configuración básica y el reloj del sistema que necesitan una pila que los mantenga funcionando aún fallando la alimentación. Las placas base de los ordenadores de torre suelen usar una pila de botón CR 2032 de 3 V. Los portátiles pueden usar esta misma pila, una CR 2016 u otro modelo.



Potencia Aparente

La potencia que las fuentes de alimentación, adaptadores de corriente y cargadores entregan al aparato electrónico que alimentan recibe el nombre de potencia activa. Además de esta potencia consumen algo más de potencia en su propio funcionamiento. La suma total de potencia recibe el nombre de potencia aparente y se mide en voltiamperios (VA). La relación entre una y otra potencia se define como factor de potencia e indica la eficiencia de la fuente de alimentación. Una fuente de alimentación de 300 W y un factor de potencia de 0,6 consumirá una potencia aparente de 500 VA (300 W / 0,6). Algunas fuentes tienen un sistema de corrección del factor de potencia que hace que sean más eficientes. Las fuentes de alimentación con certificación 80 Plus alcanzan hasta el 0,9 de factor de potencia o más.

SAI - Sistema de Alimentación Ininterrumpida

Los SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida), en inglés UPS (Uninterruptible Power Supply), son sistemas que se utilizan para alimentar los aparatos electrónicos en caso de que falle la red eléctrica, permitiendo que sigan funcionando algún tiempo más y si no se soluciona el corte de la red eléctrica les de tiempo a apagarse de forma ordenada. Además pueden mejorar la calidad de la corriente eléctrica y añadir protecciones, por ejemplo contra sobretensión.

Para mantener la corriente disponen de una batería que se carga mientras la red eléctrica suministra electricidad y cuando se produce un corte en el suministro entregan la electricidad almacenada a los aparatos conectados. Dependiendo de la capacidad de carga de la batería y el consumo de los aparatos conectados el SAI podrá mantenerlos funcionado más o menos tiempo.

En los SAI se suele indicar la potencia aparente y la potencia activa que puede suministrar. A la hora de elegir un SAI para uno o varios aparatos es necesario que estas potencias sean superiores a las de los equipos a alimentar con un margen suficiente para que el SAI no tenga que funcionar cerca del máximo de su capacidad.

En las siguientes fotos se puede ver un SAI en el que se indica en su etiqueta que tiene una salida de 500 VA de potencia aparente y 300 W de potencia activa.

Hundehalter [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Hundehalter [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Algunos SAI además de la salida de alimentación ininterrumpida también tienen salida donde solo dan protección contra sobretensión. En la etiqueta de este SAI se puede ver como distingue entre "UPS Outlets" (Enchufes de Alimentación Ininterrumpida) y "Surge Protected Outlets" (Enchufes Protegidos contra Sobretensión). En la salida protegida contra sobretensión se indica que provee 230 V x 3,8 A.

En la parte de atrás del SAI en los enchufes con alimentación ininterrumpida se indica "Battery Back Up" (Respaldado por Batería) y en el solo protegido contra sobretensión "Surge Only" (Solo Sobretensión).

Hundehalter [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

En la etiqueta también se indica que la corriente total que puede suministrar el SAI es de 6 A (2,2 A de alimentación ininterrumpida más 3.8 A de protección contra sobretensión). Aún teniendo tres enchufes de alimentación ininterrumpida si uno o dos de los aparatos conectados consumen el máximo de 2,2 A no se podrán conectar más aparatos.

Los enchufes son del tipo que utilizan las fuentes de alimentación de los ordenadores de torre y los monitores. Otros SAI pueden tener enchufes como los de la red eléctrica que permiten conectar cualquier otro aparato o una mezcla de ambos.

Otra característica a tener en cuenta de un SAI es el tipo de onda de la salida. Puede ser senoidal como la que recibe de la red eléctrica o solo pseudosenoidal. Algunas fuentes de alimentación con corrección de factor de potencia necesitan ondas senoidales. En la etiqueta del SAI de la foto se indica "The output of this device is not sinusoidal" (La salida de este dispositivo no es senoidal).

En el SAI de la foto, arriba de la parte de atrás, se puede ver que tiene dos conexiones de teléfono para proteger de sobretensión un teléfono, modem o fax. Una de las conexiones se conecta a la toma de teléfono y la otra al aparato a proteger. Como la toma de teléfono suministra la electricidad necesaria para que funcione el aparato conectado puede haber una sobretensión. Conectando el SAI entre la toma y el aparato este queda protegido.


Hundehalter [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

A continuación se puede ver el "Data Port" (Puerto de Datos), que permite conectar el SAI a un ordenador para monitorizar si recibe corriente de la red eléctrica y su nivel de carga. El ordenador conectado suele ser uno protegido por el propio SAI y con la información que obtiene se puede configurar para que se apague o envíe una alerta cuando falle el suministro eléctrico y quede poca carga en el SAI. También puede conectarse a otro ordenador que se encargue de enviar la información necesaria a los ordenadores protegidos por el SAI. Los SAI suelen venir con un software para la monitorización. También se puede usar el software libre NUT (network UPS Tools).

Conclusión

Teniendo en cuenta todos estos conceptos tendremos bien alimentados nuestros aparatos y funcionarán mejor, durarán más y no causarán problemas. Y en caso de que surjan problemas podremos diagnosticar los fallos de electricidad de los aparatos.

No hay comentarios:

Publicar un comentario