As fontes de alimentação usadas nos computadores são baseadas em uma tecnologia chamada “modo de chaveamento”, “chaveamento em alta freqüência” ou SMPS (Switching Mode Power Supply), sendo que Conversor DC-DC é um outro nome usado por fontes de alimentação que trabalham em modo de chaveamento. Neste tutorial explicaremos como as fontes de alimentação chaveadas funcionam e faremos uma jornada por dentro de uma fonte de computador, mostrando a você os principais componentes e suas respectivas funções.
Nós já publicamos um tutorial sobre Fontes de Alimentação, onde explicamos sobre os padrões, como calcular a potência nominal de uma fonte e falamos também sobre as especificações básicas de uma fonte de alimentação. Neste tutorial iremos mais a fundo, explicando o que há dentro de uma fonte de alimentação, quais os principais componentes e como identificá-los.
As fontes de alimentação podem ser construídas com duas tecnologias: linear ou chaveada.
As fontes de alimentação lineares pegam os 127 V ou 220 V da rede elétrica e, com ajuda de um transformador, reduzem esta tensão para, por exemplo, 12 V. Esta tensão reduzida, que ainda é alternada, passa então por um circuito de retificação que é feito por uma série de diodos, transformando esta tensão alternada em tensão pulsante (número 3 nas Figuras 1 e 2). O próximo passo é a filtragem, que é feito por um capacitor eletrolítico que transforma esta tensão pulsante em quase contínua (número 4 nas Figuras 1 e 2). Como a tensão contínua obtida após o capacitor oscila um pouco (esta oscilação é chamada ripple), um estágio de regulação de tensão é necessário, feito por um diodo zener ou por um circuito integrado regulador de tensão. Após este estágio a saída é realmente contínua (número 5 nas Figuras 1 e 2).
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Figura 1: Diagrama em bloco de uma fonte de alimentação linear.
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Figura 2: Formas de ondas encontradas em uma fonte de alimentação linear.
Embora fontes de alimentação lineares trabalhem muito bem para aplicações que exigem pouca potência – telefones sem fio e consoles de videogames são duas aplicações que podemos citar –, quando uma alta potência é requerida, fontes de alimentação lineares podem ser literalmente muito grandes para a tarefa.
O tamanho do transformador e a capacitância (e o tamanho) do capacitor eletrolítico são inversamente proporcionais à freqüência de entrada da tensão alternada: quanto menor a freqüência da tensão alternada maior o tamanho dos componentes e vice-versa. Como fontes de alimentação lineares ainda usam os 60 Hz (ou 50 Hz, dependendo do país) da freqüência da rede elétrica – que é uma freqüência muito baixa –, o transformador e o capacitor são muito grandes.
Além disso, quanto maior a corrente (ou seja, a potência) exigida pelo circuito, maior é o transformador da fonte de alimentação.
Construir uma fonte de alimentação linear para PCs seria loucura, já que ela seria muito grande e muito pesada. A solução foi o uso de um chaveador de alta freqüência.
Em fontes de alimentação chaveadas em alta freqüência a tensão de entrada tem sua freqüência aumentada antes de ir para o transformador (50 a 60 kHz são valores típicos). Com a freqüência da tensão de entrada aumentada, o transformador e o capacitor eletrolítico podem ser bem menores. Este é o tipo de fonte de alimentação usada nos PCs e em muitos outros equipamentos eletrônicos, como videocassetes. Tenha em mente que “chaveada” é uma forma reduzida para “chaveada em alta freqüência”, não tendo nada a ver se a fonte tem ou não uma chave liga/desliga.
A fonte de alimentação usada nos PCs utiliza uma abordagem ainda melhor: ela é um sistema de laço fechado. O circuito que controla o transistor chaveador monitora as saídas da fonte de alimentação, aumentando ou diminuindo o ciclo de trabalho da tensão aplicada ao transformador de acordo com o consumo do micro (esta técnica é chamada PWM, Modulação por Comprimento de Pulso). Ciclo de trabalho é a divisão entre o tempo em que uma forma de onda quadrada fica em 0 ou em 1. Em uma onda quadrada simétrica o ciclo de trabalho é de 50%. Uma onda com ciclo de trabalho de 33% ficaria 1/3 do tempo em "1" e 2/3 do tempo em "0". A fonte de alimentação reajusta o seu ciclo de trabalho dependendo do consumo do dispositivo conectado a ela. Quando seu micro não está consumindo muita potência, a fonte de alimentação reajusta o seu ciclo de trabalho para fornecer menos corrente, fazendo com que o transformador e todos os outros componentes dissipem menos potência, o que reduz o calor gerado.
As fontes de alimentação linear são configuradas para fornecer a potência máxima, mesmo se o circuito que esteja conectado a ela não esteja exigindo muita corrente. O resultado é que todos os componentes trabalham em sua capacidade máxima, mesmo que não seja necessário. O resultado é a geração de muito calor.
