¿Por qué los apagones son tan dañinos?


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Estaba leyendo ¿Se necesita realmente protección contra sobretensiones? y bueno, me gustaría saber por qué los apagones son tan dañinos. La explicación dada allí es "los condensadores superan su voltaje nominal" Pero eso no tiene sentido si la energía que ingresa a la fuente de alimentación es menor que el voltaje habitual. ¿Qué le sucede a una fuente de alimentación en un apagón para dañarla?

¿Hay alguna protección incorporada en las unidades de suministro de energía modernas para evitar ese daño? ¿Hay alguna forma de proteger la computadora en condiciones de apagón que no sea usar un UPS?

Respuestas:


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Un apagón es una condición de bajo voltaje, cuando el suministro de CA cae por debajo del valor nominal en aproximadamente un 10% (Nominal significa 110-120 o 220-240 en la mayoría de los lugares). Por lo tanto, en los EE. UU. Un apagón podría definirse como el voltaje de CA que cae por debajo de 99V. La especificación de Intel para las fuentes de alimentación ATX especifica que los voltajes entre 90 y 135, y 180 y 265 deben permitir el funcionamiento correcto de la fuente de alimentación ( sección 3.1 ), por lo que la fuente de alimentación seguirá funcionando normalmente incluso cuando se produzca un apagón notable.

Algunas personas también incluyen cortes de energía muy breves (menos de 30 mS, o aproximadamente 2 ciclos de CA) como apagones, ya que las bombillas incandescentes se atenuarán brevemente, pero visiblemente, durante ese tiempo, de forma similar a una condición de subvoltaje real.

En cualquier caso, Intel los define como condiciones de bajo voltaje y discute qué requisitos debe cumplir una fuente de alimentación ATX bajo tales condiciones en la sección 3.1.3 de la Guía de diseño de la fuente de alimentación ATX12V de Intel

La fuente de alimentación deberá contener circuitos de protección de modo que la aplicación de un voltaje de entrada por debajo del mínimo especificado en la Sección 3.1, Tabla 1, no cause daños a la fuente de alimentación.

Por lo general, las fuentes de alimentación tienen una sección de entrada compuesta por un conjunto de circuitos interesantes que, al final del día, proporcionan aproximadamente 308 VCA a un transformador, que luego alimenta los circuitos de regulación y acondicionamiento. Esta circuitería en realidad constituye la base principal de la circuitería de regulación, y si está utilizando menos de la potencia total de la fuente de alimentación, puede manejar con condiciones de subtensión significativas sin caer fuera de la regulación en el lado de salida.

Cuando ocurre un apagón, la fuente de alimentación intentará entregar la corriente nominal durante el mayor tiempo posible (según el voltaje y la corriente entrantes) y si no puede mantener la regulación, desviará la Power Goodseñal que va a la placa base. La placa base es responsable de desensamblar la power onseñal que va al suministro, y si lo hace a tiempo, el suministro perderá toda su salida y se apagará.

Si la placa base no hace esto, la fuente de alimentación debería dejar caer sus rieles cuando cae demasiado fuera de la regulación, pero eso no está garantizado, y con fuentes de alimentación de baja calidad, es posible que sus componentes y placa base también reciban condiciones de bajo voltaje.

Lo que sucede en ese punto depende de cuán robustos sean esos componentes, pero generalmente no es algo bueno ya que los componentes intentan operar al voltaje más bajo. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación siempre suministra una subtensión al apagarse durante un breve período de tiempo (dejar las salidas a 0 no es instantáneo), por lo que los períodos de subtensión muy breves están bien. El problema solo ocurre si la fuente de alimentación permanece en estado de baja tensión durante un largo período de tiempo, lo que solo puede ocurrir si tanto la fuente de alimentación como la placa base no se dan cuenta del problema y continúan intentando funcionar.

Tenga en cuenta que la especificación de Intel no es mucho más que una directriz de la industria, y no hay organismos de certificación. Incluso las buenas fuentes de alimentación no están obligadas por ningún acuerdo a seguir sus recomendaciones. Mi sección favorita es 3.1.5. ¡He visto muchas fuentes de alimentación, tanto caras como baratas, que no cumplen con esas recomendaciones!

Los efectos específicos difieren según el componente que se esté discutiendo, lo cual es realmente una discusión separada.


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Has hecho tu tarea :) +1.
John T

Excelente respuesta, si solo puedo + más de 1 :)
okw

¿Por lo general, un apagón no termina con un efecto de sobretensión a medida que la potencia se normaliza?
quack quijote

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@ ~ quack: depende de la razón del apagón, la red eléctrica y todos los dispositivos conectados a la línea. Si un apagón se debe a un generador de energía que se sincroniza incorrectamente con la red de transmisión, entonces sí, generalmente obtendrá una sobretensión (dado que el controlador está mal corregido, es probable que se corrija a medida que gira para coincidir con la frecuencia de la línea). Esto ocurre cada vez con menos frecuencia en las redes actuales, ya que una gran cantidad de energía se convierte electrónicamente, en lugar de hacer coincidir mecánicamente la fase del generador con la red. Pero no todos los apagones causarán un aumento repentino.
Adam Davis

Buena respuesta. Por cierto, hay un error tipográfico en la primera oración: "Un apagón es una condición de bajo voltaje, cuando el suministro de CA cae por debajo de aproximadamente el 10% del valor nominal" - debe ser del 90%.
sleske

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TARTA. P = IE. Potencia = Tiempos actuales Tensión. Entonces, si el voltaje es más bajo en un apagón, una fuente de alimentación tiene que extraer más corriente de la red eléctrica para mantener la misma potencia. Entonces, si bien el estrés de voltaje es más bajo durante un apagón, el estrés actual de la fuente de alimentación aumenta para compensar.

Aquí está la respuesta corta: en un apagón, las fuentes de alimentación necesitan consumir más corriente para compensar el voltaje de suministro más bajo, lo cual es muy estresante para los transistores, cables, diodos, etc. También se vuelven menos eficientes, lo que los hace consumir aún más corriente , agravando el problema.

Aquí está la respuesta larga: la mayoría de las PC (si no todas) usan fuentes de alimentación conmutadas. Si todos los elementos del suministro (los transistores, transformadores, condensadores, diodos, etc.) fueran completamente ideales, un suministro podría tomar cualquier voltaje de entrada y producir la potencia deseada al voltaje deseado (siempre que haya suficiente corriente en el entrada para mantener P = IE).

Pero esos elementos están lejos de ser ideales, por lo que todas las fuentes de alimentación del mundo real están diseñadas para operar dentro de un cierto rango, digamos 80 a 240V. Incluso dentro del rango para el que están diseñados, la eficiencia (el porcentaje de potencia en la salida del suministro en comparación con la potencia necesaria en la entrada) tiende a disminuir a medida que el voltaje de entrada disminuye. Anandtech tiene un buen ejemplo gráfico . El eje X es la potencia a la salida del suministro (la carga) y el eje Y es la eficiencia. Por lo tanto, este suministro es más eficiente con alrededor de 300W.

Para una entrada de 120V, es aproximadamente 85% eficiente, por lo que consume aproximadamente 300W / 0.85 = 353W de la pared para obtener 300W en la salida. Los 53 W "faltantes" se disipan en los circuitos de la fuente de alimentación (es por eso que sus PC tienen ventiladores: es como si su fuente de alimentación tuviera una bombilla de 50 W en una pequeña caja y necesita sacar el calor). Como P = IE, podemos calcular la corriente que necesita del enchufe de la pared para producir una salida de 300W desde 120V: I = P / E = 353W / 120V = 2.9A. (Estoy ignorando el factor de potencia para mantener esta explicación simple).

Para una entrada de 230V, la eficiencia es del 87%, por lo que solo extrae 344W de la pared, lo cual es bueno. Debido a que el voltaje es mucho más alto, el consumo de corriente es mucho más bajo: 344W / 230V = 1.5A.

Pero en una condición de caída de 90V, la eficiencia es aún peor que a 120V: 83.5%. Entonces, el suministro está tirando 300W / 0.835 = 359W de la pared. Y está tirando aún más corriente: 359W / 90V = 4A!

Ahora, eso probablemente no enfatizaría mucho esta fuente de alimentación, ya que tiene una potencia nominal de 650W. Así que echemos un vistazo rápido a lo que sucede a 650W. Para 120V, es 82% eficiente -> 793W y 6.6A de la pared. Pero la eficiencia es aún peor con cargas elevadas, por lo que para 90V vemos una eficiencia del 78.5%, lo que significa 828W y 9.2A. Incluso si la eficiencia se mantuviera en 78.5%, si el apagón fuera a 80V, necesitaría tirar de 10.3A. Eso es mucha corriente; las cosas comienzan a derretirse si no están diseñadas para ese tipo de corriente.

Por eso los apagones son malos para las fuentes de alimentación. Necesitan consumir más corriente para compensar el voltaje de suministro más bajo, lo cual es muy estresante para los transistores, cables, diodos, etc. También se vuelven menos eficientes, lo que los hace consumir aún más corriente, lo que agrava el problema.

Ejemplo de bonificación: Aquí hay una explicación rápida de por qué las fuentes de alimentación se vuelven menos eficientes a medida que disminuye el voltaje de suministro. Todos los componentes electrónicos (transistores, transformadores, incluso las trazas en la placa de circuito impreso) tienen algún tipo de resistencia equivalente. Cuando un transistor de potencia se enciende, tiene una resistencia de encendido, digamos 0.05ohms. Entonces, cuando 3A de corriente fluye a través de ese transistor, ve 3A * 0.05ohms = 0.15V a través de sus cables. Ese 0.15V * 3A = 0.45W de potencia que ahora se está disipando en ese transistor. Eso es desperdicio de energía: es calor en la fuente de alimentación, no energía en la carga. Ese es nuestro escenario de 300W, escenario de 120V.

En el escenario de caída de voltaje de 90V 300W, el transistor tiene la misma resistencia de 0.05ohm, pero ahora hay 4A de corriente que lo atraviesa, por lo que cae 4A * 0.05ohms = 0.2V a través de sus cables. Ese 0.2V * 4A = 0.8W de potencia que ahora se está disipando en ese transistor. Entonces, cada dispositivo (y hay muchos de ellos) en la fuente de alimentación que tiene una caída de resistencia / voltaje en él generará más calor (energía desperdiciada) cuando la tensión de suministro cae. Entonces, en general y dentro de lo razonable, los voltajes más altos le brindan mayores eficiencias.


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Buena respuesta, pero ¿no deberían los valores de potencia en los últimos dos párrafos ser 0.45W y luego 0.8W? Independientemente, el punto es que P = I ^ 2R, por lo que al aumentar I aumenta significativamente P (la disipación de energía residual).
sblair

Buena captura: utilicé incorrectamente 10A para calcular la potencia (error tipográfico). P = I ^ 2R es una forma elegante de resumirlo.
Fred Hamilton

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Buena respuesta. +1 para calcular cosas y explicar los cálculos.
sleske

Muy buena respuesta, lástima que no pudieras haber respondido un poco más rápido
Earlz

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Esta debería ser la respuesta aceptada. Aunque la aceptada contiene información valiosa, la pregunta fue específicamente sobre la cita: "¿Qué le sucede a una fuente de alimentación en un apagón para dañarla?", No qué le sucede a la placa base. Entonces esta es la respuesta correcta para esta pregunta específica. Me salvó de destruir una fuente de alimentación de la impresora, porque iba a modificarla para que funcione con 110 VCA en lugar de 220 VCA
Abraham TS
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