Componentes y partes de una fuente cargador de Notebook

En este articulo te muestro los diferentes componentes que podemos encontrar en una fuente o cargador de notebook, en el grafico si bien veremos un cargador de notebook, es lo mismo que vamos a encontrar en fuentes de monitor, especialmente las externas, en las fuentes de consolas,  cargadores de bicicletas y la mayoría de fuentes o cargadores de este tipo.

Cuando hablamos de un cargador de notebook en realidad técnicamente es una fuente, una fuente de alimentación, y si queremos ser mas especifico es una fuente de alimentación conmutada, esto es por que no incluyen ningún tipo de circuito que regulen la alimentación proporcionada, es decir no hay nada que regule la carga, el circuito encargado de controlar y cortar la carga esta dentro del propio dispositivo a cargar, como la notebook por ejemplo.

Las fuentes de alimentación conmutadas, están dividida en dos partes, la de alto voltaje llamada “etapa caliente” o “primaria” y a la de bajo voltaje denominada “etapa fría” o “secundaria”, estas dos regiones son claramente visibles e incluso muchas veces están demarcadas claramente en el circuito por el lado inferior con tinta serigráfica y un espacio amplio entre las pistas del circuito. El puente entre estas dos etapas suelen ser tres componentes, el transformador, el optoacoplador y un capacitor. Es importante aclarar que hay que tener mucho cuidado al trabajar en la etapa caliente estando conectada, por que corremos riesgo de recibir una descarga eléctrica muy peligrosa que incluso puede llevarnos a la muerte.

Por la parte caliente entra la corriente alterna de alto voltaje 220V en este caso (puede ser 110 en otros países), siempre refiriéndonos a una fuente o cargador de notebook, pero por supuesto que la mayoría de lo explicado aquí se aplica a fuentes conmutadas de innumerables dispositivos, como las fuentes ATX de computadoras. Esta corriente ingresa por un conector AC (corriente alterna) que por lo general son del tipo C5 llamado “trébol” o “Mickey”, C7 también llamado “ocho” y a veces uno del tipo C13  que es el mismo que usan las fuentes ATX de computadoras. Estos conectores es necesario saber que tienen sus diferencias. Tanto el C5 como el C7 soportan 250 volts y 2,5 amperes pero el C13 soporta hasta 10 amperes y 250 volts.

Pasado el conector AC llegamos a algunas protecciones, por lo que llamaremos a esta parte la Etapa de Protección, un Fusible que limita la corriente, en caso de cargadores de notebooks los mas comunes son de 3 amperes o un poco mas, en fuentes de monitores por ejemplo pueden ser de 5 amperes y mas, esta información esta grabada sobre el propio fusible y cuando uno se daña hay que remplazarlo por otro del mismo valor y en lo posible del mismo tipo ya que algunos fusibles son de corte rápido. La siguiente protección es el Termistor, cuando se conecta la fuente a la red eléctrica se produce un pico de voltaje llamado Inrush Current o “Corriente de arranque” que puede llegar a ser peligroso para el circuito interno, el termistor lo que hace es mediante la variación de su resistencia absorber o limitar ese pico. Por ultimo tenemos el Varistor, que lo que hace es proteger el circuito contra un incremento no deseado de la tensión de entrada, es decir una protección de sobre-voltaje, cuando se supera el valor para el que fue diseñado el varistor conduce a tierra y hace que se queme el fusible, interrumpiendo el suministro de corriente, en algunos casos también puede quemarse el varistor el cual es fácilmente visible ya que puede llegar a partirse. Es importante aclarar que estos componentes de protección no siempre estarán en el circuito, cuando hablamos de cargadores o fuentes de notebooks muchas veces el varistor estará ausente, incluso a veces podemos encontrar fuentes muy económicas que solamente tengan el fusible, o incluso ni siquiera eso y en lugar de un fusible encontraremos una resistencia de muy bajo valor utilizada como fusible o algo parecido llamado Fusistor que es una resistencia diseñada para usarse como fusible, a veces se utilizan estas opciones por que son mas económicas que un fusible convencional.

Luego de la protección sigue el Filtro EMC, este filtro esta compuesto por dos diferentes componentes, una Bobina doble con núcleo de ferrite y un capacitor X y capacitores Y, por lo general tres, pero no son capacitores comunes de cerámica, estos son especiales y se llaman capacitores de seguridad, son del tipo X, tipo Y o ambos XY. Se les llama “de seguridad” por que están diseñados para soportar altas tensiones, no se encienden fuego y no pueden entrar en cortocircuito ya que si esto pasara el usuario del dispositivo podría recibir una descarga a tierra. EMC significa “ElectroMagnetic compatibility” o “Compatibilidad Electromagnética” y lo que hace es evitar que el ruido eléctrico pueda entrar por la línea de la red eléctrica o incluso que salga del propio circuito del cargador hacia la red. Se le llama ruido eléctrico a picos transitorios que solo duran una fracción de segundo que pueden hacer fallar el circuito e incluso dañarlo con el tiempo. Un ejemplo de ruido eléctrico muy común es cuando se enciende un electrodoméstico con un motor y este esta en el mismo enchufe que un televisor o computadora y al encender el motor se aprecia alguna anormalidad en la imagen. La propia fuente por su naturaleza de funcionamiento basada en la conmutación (un transistor abriendo y cerrando) también produce ruido el cual puede filtrarse hacia la red eléctrica, el filtro EMC impediría esto.

 

Pasada la etapa de filtrado EMC nos encontramos con un Puente Rectificador o Diodos en puente que convertirán la corriente alterna que proviene de la red eléctrica en una corriente continua, a pesar de ser continua debemos tener cuidado ya que en esta región el voltaje puede superar los 300 voltios. Es importante saber que el puente rectificador o a veces simplemente llamado “puente” podemos encontrarlo de diferentes formas, en “la imagen 4” el puente esta conformado por cuatro diodos rectificadores pero también es posible encontrarlo en un encapsulado único que dentro contiene los cuatro diodos, este encapsulado también puede ser de diferentes formas, tipo SMD (Surface-Mount Device – Dispositivo de montaje superficial) o THT (Through-Hole Technology – Tecnología de agujero pasante). En todos estos casos el componente cumple la misma función, por cuestiones de costos o de diseño a veces se opta por las diferentes opciones.

Después del puente rectificador la corriente ya será en continua pero tendrá un rizado que es necesario eliminar o suavizar, de una forma mas sencilla digamos que hay que hacerla mas pura, mas continua, para eso sirve el gran Capacitor Electrolítico que predomina en estos tipos de fuentes o cargadores, ya que es el capacitor mas grande, es por esto que a mi me gusta llamarlo el “capacitor principal” para diferenciarlo de los demás. Este capacitor de gran tamaño puede tener un valor que va desde los 60 a 120 μF (microfaradios) aproximadamente, puede ser menor o mayor también; sin embargo debo aclarar que en fuentes de buena calidad este capacitor no baja de los 100 μF, talvez 80, no menos, refiriéndome a fuentes-cargadores de notebooks; en cuanto a su otro valor que es el Voltaje este suele ser de 400 o 450V ya que este capacitor recibe un voltaje de unos 320V aproximadamente. Si hacemos referencias a las fuentes ATX de computadoras observaremos que hay dos de estos capacitores, si prestamos atención veremos que estos son de 200V, ¿Cómo es posible que no exploten si por la red eléctrica entran 220V?. Los capacitores electrolíticos pueden explotar si nos equivocamos en el voltaje, es justo lo que pasa cuando alguien cambia accidentalmente el switch selector de 220V a 110V (ver articulo). Pero volviendo a la pregunta de por que no explotan los capacitores de 200V; estos capacitores no explotan por que en realidad están en paralelo y se suman sus valores, son dos de 200V y forman uno de 400V al estar en paralelo.

Ahora que ya tenemos un voltaje en corriente continua debemos reducirlo a un valor útil, en el caso para una notebook será de 19V, para reducir el voltaje se hará mediante PWM (Pulse-Width Modulation – Modulación de Ancho de Pulso), esto es lo que diferencia a este tipo de fuentes de las mas comunes fuentes lineales. El circuito PWM incluye gran cantidad de componentes y podemos encontrar diversas configuraciones, esto es lo que las hace mas complejas que como la ya nombrada fuente lineal, pero básicamente tenemos bien diferenciados varios componentes que son clave y fácilmente reconocibles. El control de PWM usara la corriente que viene filtrada del capacitor principal y la convertirá en pulsos aplicados al transformador de alta frecuencia. Los pulsos son generados por un transistor o mosfet, el encargado de controlar cuando debe conmutar el mosfet (abrirse o cerrarse), de ahí el nombre de fuente conmutada, es un circuito integrado de control de PWM (IC PWM). A su vez el IC PWM recibe de la etapa fría una señal llamada Feedback, la cual es proporcionada por un elemento Regulador, uno de los mas conocidos es el Zener programable TL431 (aquí como medirlo con multimetro), que en aspecto es como un transistor ya que usa el encapsulado TO92, pero también es posible encontrarlo en un formato SMD. El regulador esta directamente conectado a la salida de la fuente, de esta manera el IC controlador de PWM regula su ancho de pulso según a la salida de la fuente se conecte una carga de mayor o menor consumo de corriente. Esta comunicación entre el regulador y el IC controlador no es directa, ambos se conectan a través de un Optoacoplador, este es un componente formado por un LED y un transistor, todo integrado en un único encapsulado, el optoacoplador lo que hace es aislar las dos etapas, fría y caliente, manteniendo la comunicación necesaria que necesita el feedback entre el regulador y el IC controlador de PWM. El Regulador hace encender el LED interno del optoacoplador y excita al transistor interno, de esta forma no hay un contacto directo entre etapa fría y caliente, recordemos que la etapa caliente es de alto voltaje y esta aislada de la etapa fría por razones de seguridad. Como se menciono el regulador TL431 es uno de los mas usados, incluso podemos encontrarlo en fuentes ATX de computadoras, pero también existen otro tipos de reguladores que pueden ser también circuitos integrados, además existen otras configuraciones, incluso podemos encontrar que el transistor o mosfet de conmutación esta integrado al propio encapsulado del IC controlador de PWM. Las combinaciones son muchas y cada fabricante según sus necesidades elige cual usar.

A la salida del transformador ya tenemos el voltaje reducido pero sigue siendo una corriente alterna o pulsante, ahora hay que convertirla a corriente continua y filtrarla nuevamente. El encargado de esta conversión o rectificación es un Diodo de Alta Frecuencia, muy fácil de reconocer ya que tiene el mismo aspecto que el mosfet pero, es decir un encapsulado TO220 o similar por lo menos en la mayoría de los casos, tiene tres terminales ya que en realidad son dos diodos en un único encapsulado, dos de sus pines son el ánodo y el restante es el cátodo en común, se lo diferencia del mosfet por que el diodo esta cerca de la salida. A la salida del diodo tendremos algunos pequeños capacitores para el filtrado final, algunos electrolíticos y algunos de cerámica, incluso en alguna fuente de calidad podemos también encontrar alguna pequeña bobina. Al final de esto también podríamos encontrar un LED testigo que indica que el cargador esta encendido, este LED toma su alimentación directo del final de todo el circuito y utiliza una resistencia para que no se queme, cuando este LED no enciende es un claro indicio de que el cargador o fuente no esta funcionando ya que es muy raro que el LED se queme.