Tudo o Que Você Precisa Saber Sobre Fontes de Alimentação
14/11/2008 às 12h36min por Gabriel Torres em Energia

Introdução

Neste tutorial explicaremos tudo o que você precisa saber sobre as fontes de alimentação para PCs, incluindo padrões, eficiência, correção do fator de potência (PFC), barramentos virtuais, proteções, ripple e ruído e muito mais. Você aprenderá que a potência de uma fonte não deve ser o único fator a ser levado em consideração na hora da compra de uma fonte de alimentação..

Antes de continuarmos, vamos explicar exatamente qual é o papel de uma fonte de alimentação.

Por se tratar de um dispositivo elétrico o computador precisa de eletricidade para que todos os seus componentes funcionem de forma adequada. O dispositivo responsável por prover eletricidade ao computador é a de fonte de alimentação. De forma bastante sucinta poderíamos dizer que a principal função da fonte de alimentação é converter a tensão alternada fornecida pela rede elétrica presente na tomada de sua casa ou escritório (também chamada CA ou AC) em tensão contínua (também chamada CC ou DC). Em outras palavras, a fonte de alimentação converte os 110 V ou 220 V alternados da rede elétrica convencional para as tensões contínuas utilizadas pelos componentes eletrônicos do computador, que são: +3,3 V, +5 V, +12 V e -12 V (tensões alternadas variam pelo mundo e mesmo no Brasil variam de cidade a cidade; durante este tutorial nós usaremos o termo “110 V” para nos referenciarmos às tensões de 110 V, 115 V e 127 V, já quando usarmos o termo “220 V” estamos nos referenciando às tensões de 220 V, 230 V e 240 V. O Japão é o único país cuja tensão alternada está fora deste intervalo, operando a 100 V. A fonte de alimentação também participa do processo de refrigeração do micro, como explicaremos depois.

Existem dois tipos básicos de fonte de alimentação: linear e chaveada.

As fontes de alimentação lineares pegam os 110 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 (composto por uma série de diodos), transformando esta tensão alternada em tensão pulsante. O próximo passo é a filtragem, que é feito por um capacitor eletrolítico que transforma esta tensão pulsante em quase contínua. 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 (normalmente com a ajuda de um transistor de potência) ou por um circuito integrado regulador de tensão. Após este estágio a saída é realmente contínua.

Embora fontes de alimentação lineares trabalhem muito bem para aplicações de baixa potência – telefones sem fio, por exemplo –, 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 frequência da tensão alternada na entrada da fonte: quanto menor a frequência 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 frequência da rede elétrica – que é uma frequência muito baixa –, o transformador e o capacitor são muito grandes.

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 conceito chamado chaveamento em alta frequência.

Em fontes de alimentação chaveadas em alta frequência a tensão de entrada tem sua frequência aumentada antes de ir para o transformador (tipicamente na faixa de kHz). Com a frequência da tensão de entrada aumentada, o transformador e os capacitores eletrolíticos podem ser bem menores. Este é o tipo de fonte de alimentação usada nos PCs e em muitos outros equipamentos eletrônicos, como aparelho de DVD. Tenha em mente que “chaveada” é uma forma reduzida de se falar “chaveamento em alta frequência”, não tendo nada a ver se a fonte tem ou não uma chave liga/desliga.

A fonte de alimentação talvez seja o componente mais negligenciado do computador. Normalmente na hora de comprar um computador, só levamos em consideração o tipo e o clock do processador, o modelo da placa-mãe, o modelo da placa de vídeo, a quantidade de memória instalada, a capacidade de armazenamento do disco rígido, e esquecemo-nos da fonte de alimentação, que na verdade é quem fornece o “combustível” para que as peças de um computador funcionem corretamente.

Uma fonte de alimentação de boa qualidade e com capacidade suficiente pode aumentar a vida útil do seu equipamento e reduzir sua conta de luz (nós explicaremos o porque disso quando falarmos de eficiência). Para se ter uma ideia, uma fonte de alimentação de qualidade custa menos de 5% do preço total de um micro. Já uma fonte de alimentação de baixa qualidade pode causar uma série de problemas intermitentes, que na maioria das vezes são de difícil resolução. Uma fonte de alimentação defeituosa ou mal dimensionada pode fazer com que o computador trave, pode resultar no aparecimento de setores defeituosos (“bad blocks”) no disco rígido, pode resultar no aparecimento da famosa “tela azul da morte” e resets aleatórios, além de vários outros problemas.

Neste tutorial falaremos sobre os aspectos básicos que todos os usuários devem saber. Se você quiser aprender mais sobre os componentes internos da fonte de alimentação nós recomendamos que você leia a continuação do presente tutorial, Anatomia das Fontes de Alimentação Chaveadas, one explicamos em detalhes como os principais componentes de dentro da fonte funcionam.

Conexão CA

A primeira coisa que você deve saber é que sua fonte de alimentação precisa ser compatível com a tensão CA usada em sua cidade. As tensões mais comuns são “110 V” (que abrange tensões próximas como 115 V e 127 V) e “220 V” (que abrange tensões próximas como 230 V e 240 V)..

A maioria das fontes de alimentação tem uma chave 110 V/220 V ou então pode ser do tipo “automática”, “bivolt” ou “auto range”, o que significa que a fonte pode funcionar em qualquer tensão CA (normalmente entre 100 V e 240 V; a faixa de operação suportada está impressa na etiqueta da fonte de alimentação em um campo chamado “AC Input” ou “Entrada CA”, como você pode ver na Figura 3) e por essa razão fontes com seleção automática de tensão não têm uma chave 110 V/220 V. Normalmente os fabricantes fazem a seleção automática de tensão através do circuito PFC ativo. Portanto todas as fontes de alimentação com PFC ativo são do tipo “bivolt” e não têm uma chave 110 V/220 V. Apenas raríssimas fontes com seletor automático de tensão não terão PFC ativo. Claro que falaremos mais sobre este circuito depois.

Além disso, nem todas as fontes de alimentação que não têm uma chave 110 V/220 V são “automáticas”. Algumas fontes podem operar apenas em determinada tensão e este caso é o mais comum em algumas fontes voltadas para o mercado europeu, que só funcionam em 220 V. Portanto se você vir uma fonte de alimentação sem uma chave 110 V/220 V é sempre bom verificar na etiqueta da fonte a tensão CA em que ela pode trabalhar.


Figura 1: Chave 110 V/220 V em uma fonte de alimentação.


Figura 2: Fonte de alimentação com seleção automática de tensão – não há chave 110 V/220 V. Na maioria das vezes isto significa que a fonte tem PFC ativo.


Figura 3: A faixa de tensão que as fontes com seleção automática podem trabalhar está descrita na etiqueta da fonte de alimentação.

A conexão entre a fonte de alimentação e a tomada é feita através de um cabo de força. Este cabo precisa ter um plugue compatível com o padrão usado em seu país ou você precisará usar um adaptador.

O Brasil adota um padrão chamado ABNT NBR 14136:2002, que possui dois tipos de plugue, o popular plugue com dois pinos redondos e um novo plugue de três pinos redondos que será obrigatório a partir de 2010, adicionando o pino terra. O problema é que fontes de alimentação vendidas no Brasil vêm com o cabo de força do padrão Norte-Americano (NEMA 5-15, ver Figura 4) e, portanto, você tem de obrigatoriamente trocar a tomada da sua casa ou escritório onde o computador (ou no-break, estabilizador, etc) será instalado caso ele não seja do tipo NEMA 5-15. É possível que a partir de 2010 fabricantes oficialmente estabelecidos no Brasil passem a incluir o cabo de força ABNT NBR 14136:2002 de três pinos na caixa do produto.

Outros países podem usar tipos de plugues diferentes (por exemplo, a maioria dos países da Europa usa o plugue padrão CEE 7/7, mas a Inglaterra usa um plugue chamado BS 1363, e por aí vai).


Figura 4: Cabo de força norte-americano.


Figura 5: Cabo de força europeu.

A extremidade do cabo de força que é conectado na fonte de alimentação usa um plugue em formato trapezoidal chamado IEC C13, enquanto que o receptáculo para o cabo de força localizado na fonte de alimentação usa um plugue chamado IEC C14. Outros plugues podem também ser usados nesta conexão, como o IEC C19 e o IEC C20, mas eles não são muito comuns.

Plugues de Alimentação

Atualmente as fontes de alimentação oferecem os seguintes conectores para alimentar os componentes do micro:.


Figura 6: Conector de alimentação principal da placa-mãe (plugue de 24 pinos). Veja como ele pode ser transformado em um conector de 20 pinos.


Figura 7: Conector de alimentação principal da placa-mãe (plugue de 24 pinos).


Figura 8: Conector ATX12V.


Figura 9: Conector ATX12V.


Figura 10: Conector EPS12V.


Figura 11: Em algumas fontes de alimentação o conector EPS12V pode ser obtido juntando dois conectores ATX12V.


Figura 12: Conector EPS12V em uma placa-mãe.

Plugues de Alimentação (Cont.)


Figura 13: O conector PEG de seis pinos. Esta fonte de alimentação em particular tem dois pinos extras para você transformar este plugue de seis pinos em um plugue de oito pinos. Nós chamamos este tipo de conector de conector 6/8 pinos..


Figura 14: Um conector PEG de seis pinos em uma placa de vídeo.


Figura 15: Plugue de alimentação SATA.


Figura 16: Conector de alimentação SATA em um disco rígido.


Figura 17: Plugues de alimentação para periféricos.


Figura 18: Conector de alimentação para periférico em uma unidade óptica.


Figura 19: Conector de alimentação da unidade de disquete.


Figura 20: Conector de alimentação em uma unidade de disquete.

Plugues de Alimentação Antigos

Os dois plugues descritos abaixo não são mais usados, mas você poderá encontrá-los em computadores antigos..


Figura 21: Conector de alimentação auxiliar de seis pinos.


Figura 22: Conector de alimentação AT.

Padrões

Existem vários diferentes padrões de fontes de alimentação para PCs. Esses padrões definem não apenas o tamanho físico, mas também o tipo de conectores de uma fonte de alimentação. ATX12V 2.x e EPS12V são os padrões de fontes de alimentação para PCs mais comuns atualmente..

Até agora demos uma olhada nos principais padrões de fontes de alimentação para computadores de mesa (desktops). Existem, no entanto, outros padrões disponíveis para computadores de tamanho reduzido.


Figura 23: Fonte de alimentação LFX12V.

Ventilação

A fonte de alimentação desempenha um papel importantíssimo no processo de remoção do calor de dentro do micro. Sua função é justamente remover o ar quente existente dentro do gabinete do micro e jogá-lo para fora. O fluxo de ar dentro do micro funciona da seguinte forma: o ar frio entra através de ranhuras existente na parte frontal do gabinete. Esse ar é aquecido devido a trocas de calor com outros dispositivos, como o processador, placas de vídeo, chipset, etc. Como o ar quente é menos denso do que o ar frio, a sua tendência natural é subir. Com isso, o ar quente fica retido na parte superior do gabinete. A ventoinha existente na fonte de alimentação funciona como um exaustor, puxando o ar quente desta região e soprando-o para fora do micro. Veja como isto funciona na Figura 24..


Figura 24: Fluxo de ar dentro do gabinete do micro.

Tradicionalmente as fontes de alimentação para PCs utilizam uma ventoinha de 80 mm na parte traseira, como você pode ver na Figura 25. Há alguns anos os fabricantes de fontes começaram a usar uma ventoinha de 120 mm ou maior na parte de baixo da fonte, substituindo a ventoinha do painel traseiro da fonte por uma grade. Normalmente a uso de uma fonte de alimentação com ventoinha maior fornece um maior fluxo de ar e um menor nível de ruído, já que uma ventoinha maior pode girar mais lentamente para produzir o mesmo fluxo de ar do que uma ventoinha menor.


Figura 25: Fonte de alimentação com uma ventoinha traseira de 80 mm.


Figura 26: Fonte de alimentação com uma ventoinha inferior de 120 mm.

Algumas fontes de alimentação podem ter mais do que uma ventoinha enquanto que alguns fabricantes oferecem controle de velocidade de rotação para a ventoinha da fonte ou um cabo para você monitorar a velocidade de rotação da ventoinha através do seu programa de monitoramento favorito (este cabo deve ser instalado em um conector de ventoinha na placa-mãe). Esses recursos não muito comuns.

O problema da ventoinha da fonte e/ou as ventoinhas extras é o ruído produzido por elas. Em alguns casos o barulho é tão irritante que o simples fato de trabalhar com o computador torna-se algo estressante. De modo a reduzir o ruído atualmente a maioria das fontes de alimentação usa um circuito para controlar a velocidade de rotação da ventoinha de acordo com a temperatura interna da fonte, ou seja, quando a fonte está “fria” a ventoinha gira mais lentamente, produzindo assim menos ruído.

De modo a oferecer um maior fluxo de ar e organização dentro do micro algumas fontes de alimentação utilizam um sistema de cabeamento modular, onde em vez de serem permanentemente presos à fonte os cabos para periféricos são conectados à fonte através de conectores. Dessa forma você pode remover os cabos que voc6e não utilizará. Alguns fabricantes vendem cabos extras para seus sistemas de cabeamento modular, ajudando os usuários em futuros upgrades. Normalmente em fontes de alimentação com sistema de cabeamento modular o cabo principal da placa-mãe e os cabos ATX12V/EPS12V são permanentemente presos à fonte, como acontece com a fonte de alimentação da Figura 27.


Figura 27: Sistema de cabeamento modular.

Potência

As fontes de alimentação são rotuladas de acordo com a potência máxima que conseguem fornecer – pelo menos em teoria. O problema é que muitas fontes não conseguem fornecer sua potência rotulada, isto porque o fabricante:.

Só para ilustrar como o efeito da temperatura afeta a capacidade de uma fonte em fornecer corrente, considere a curva de “de-rating” apresentada na Figura 28, que pertence a um transistor chamado FQA24N50. Como você pode ver, este transistor pode fornecer até 24 A quando está trabalhando a 25°C, mas assim que a temperatura aumenta (eixo x) a corrente máxima suportada (eixo y) diminui. Em 100°C a corrente máxima que este dispositivo pode fornecer é de 15 A, uma redução de 37,5%. A potência, medida que watts, é um fator entre a corrente e a tensão (P = V x I). Se este transistor estivesse operando a 12 V nós veríamos uma redução na potência máxima de 288 W (12 V x 24 A) para 180 W (12 V x 15 A).


Figura 28: Curva de “de-rating” de um transistor.

Conhecendo esta situação bons fabricantes começaram a divulgar a que temperatura suas fontes foram rotuladas. Você pode encontrar algumas fontes de alimentação no mercado onde o fabricante garante que elas conseguem fornecer sua potência rotulada a 40°C, 45°C ou até mesmo 50°C. Em outras palavras, o fabricante garante que elas podem fornecer sua potência rotulada em um cenário do mundo real e não apenas no laboratório do fabricante. Este é um bom parâmetro na hora de decidir que fonte de alimentação comprar.

Você pode achar que a quantidade máxima de potência que uma fonte de alimentação pode fornecer é simplesmente a soma da quantidade máxima de potência que cada saída pode fornecer. Mas na verdade a matemática não é tão simples assim por causa da forma como as fontes de alimentação para PCs funcionam internamente: as principais saídas positivas (+12V, +5 V e +3,3 V) compartilham alguns componentes e por isso apesar de cada saída ter uma corrente (e consequentemente potência) máxima individual, este máximo pode apenas ser atingido quando nenhuma corrente estiver sendo extraída das outras saídas.

O caso mais comum é com as saídas +5 V e +3,3 V. Apesar de elas terem correntes máximas e limites de potência individuais, esses valores máximos podem ser extraídos apenas quando nenhuma corrente estiver sendo extraída da outra saída: juntas elas têm uma potência máxima combinada, que é menor do que a simples adição da capacidade máxima das saídas de +5 V e +3,3 V.

Para um exemplo prático considere a fonte de alimentação da Figura 29. Sua etiqueta diz que a saída de +5 V pode fornecer até 24 A (que é igual a 120 W, 5 V x 24 A) e a saída de +3,3 V também pode fornecer até 24 A (que é igual a 79,2 W, 3,3 V x 24 A). A potência máxima combinada impressa na etiqueta é de 155 W, que é menor do que a simples adição da potência máxima que cada saída pode fornecer individualmente (que seria 199,2 W, 120 W + 79,2 W).

A mesma ideia é válida para as saídas de +12 V. Na fonte de alimentação da Figura 29 cada barramento de +12 V pode fornecer até 16 A (192 W, 12 V x 16 A), mas a potência máxima combinada para as saídas de +12 V é 504 W, e não 768 W (192 W x 4).

E finalmente nós temos uma potência combinada para +12 V, +5 V e +3,3 V ao mesmo tempo, que não é simplesmente uma adição da potência máxima combinada para as saídas de +5 V/+3,3 V com a potência combinada para as saídas de +12 V. Na fonte de alimentação de nosso exemplo a potência máxima combinada para essas saídas é de 581,5 W e não 659 W (155 W + 504 W).


Figura 29: Etiqueta típica de uma fonte de alimentação.

Finalmente nós temos a distribuição da potência, que é algo que poucos usuários se preocupam. Duas fontes de alimentação com a mesma potência máxima podem ter uma distribuição de potência completamente diferente.

Atualmente um micro típico extrai mais corrente/potência das saídas de +12 V. Isto acontece porque os dois componentes que mais consomem no micro, o processador e a placa de vídeo, estão conectados nas saídas de +12 V (através do conector ATX12V/EPS12V e através do conector PEG, respectivamente).

Dê uma outra olhada na etiqueta da fonte de alimentação da Figura 29. Observe que esta fonte usa um projeto atualizado, onde a fonte de alimentação é capaz de fornecer mais potência nas saídas de +12 V (504 W) do que nas saídas de +3,3 V/+ 5 V (155 W).

Agora considere a fonte de alimentação da Figura 30. Esta fonte pode fornecer mais potência/corrente nas suas saídas de +5 V/+3,3 V do que nas suas saídas de +12 V, o que significa que esta fonte usa um projeto desatualizado. Acredite, esta fonte ainda está sendo vendida e existem muitas outras iguais a ela sendo vendidas por aí.


Figura 30: Etiqueta de uma fonte de alimentação com um projeto desatualizado.

Em resumo, compre fontes de alimentação onde a capacidade máxima está nas saídas de +12 V e não nas linhas de +5 V/+3,3 V.

Finalmente você precisará saber a quantidade de potência que seu micro realmente consumirá antes de escolher uma fonte de alimentação. Existem várias calculadoras na internet que podem ajudá-lo nesta tarefa; nós recomendamos esta. Nós também recomendamos que você escolha uma fonte de alimentação que funcionará entre 40% e 60% da sua capacidade máxima. Existem duas razões para isto. Primeiro, a eficiência, assunto da próxima página. Segundo, você terá margem para futuros upgrades. Portanto anote o resultado obtido pela calculadora e multiplique por dois. Esta é a potência da fonte que recomendamos que você compre (você ficará surpreso ao ver que a maioria dos micros requerem uma fonte de alimentação com menos de 450 W, mesmo com o ajuste recomendado).

Eficiência

A eficiência de uma fonte de alimentação refere-se à quantidade de corrente extraída da rede elétrica que é efetivamente convertida em corrente contínua. Eficiência é a relação entre a potência que está sendo extraída da rede elétrica e a potência que está sendo na verdade fornecida ao micro..

Eficiência = Potência CC / Potência CA

Por exemplo, se o micro está consumindo 250 W e a fonte de alimentação está extraindo 350 W da rede elétrica, isto significa que a eficiência da fonte de alimentação é de 71,4%.

Boas fontes de alimentação têm eficiência de pelo menos 80%. Quanto maior esse valor, melhor. Nós recomendamos que você compre fontes de alimentação com eficiência de pelo menos 80%.

Uma fonte de alimentação com alta eficiência oferece duas vantagens. Primeira, redução na conta de luz. Usando o exemplo acima, se você substituir esta fonte por uma com eficiência de 80% você extrairia apenas 312,5 W da rede elétrica, economizando, portanto, 37,5 W. Se você usa muito o micro (por exemplo, durante o dia inteiro, todos os dias), esta economia pode ser relevante e no final vale a pena comprar uma fonte com alta eficiência, mesmo que ela custe um pouco mais.

A segunda vantagem é que menos calor é produzido. Em nosso primeiro exemplo a fonte de alimentação estaria convertendo 100 W em calor, enquanto que em nosso segundo exemplo a dissipação térmica cairia para 62,5 W, uma redução de 37,5% na dissipação do calor. Isto é realmente interessante e é sempre bom manter o micro trabalhando mais refrigerado quanto possível.

Se você vir uma curva de eficiência típica você notará que a eficiência varia de acordo com a potência que está sendo fornecida e normalmente a fonte de alimentação atinge sua eficiência máxima quando está fornecendo entre 40% e 60% de sua capacidade máxima. A eficiência também é maior quando a fonte de alimentação está operando em 220 V. Veja na Figura 31 para um exemplo real.


Figura 31: Exemplo de uma curva de eficiência.

Por causa deste efeito é recomendável que você compre uma fonte de alimentação com o dobro de potência que você realmente precisará. Isto explica a disponibilidade de fontes de alimentação “parrudas” acima de 700 W. Os fabricantes não esperam que você extraia toda a potência que a fonte é capaz de fornecer, mas que você extraia delas cerca de 50% para uma alta eficiência (durante nossos testes, no entanto, nós precisamos verificar se a fonte de alimentação realmente pode fornecer sua potência rotulada, ou seja, em uma fonte rotulada como sendo de 600 W nós queremos ser capazes de extrair 600 W dela). A única desvantagem nesta abordagem é o preço de uma fonte de alimentação “parruda”. Mas no longo prazo é uma boa ideia comprar uma fonte “parruda”, já que você economizará em sua conta de luz, seu micro trabalhará mais refrigerado, você terá uma margem maior para futuros upgrades e você não terá problemas de estabilidade na hora de rodar jogos pesados configurados com os recursos de qualidade de imagem no máximo durante horas. Como mencionamos, você ficará surpreso ao ver que a maioria dos micros requerem uma fonte de alimentação com menos de 450 W, mesmo com nosso ajustes.

Leia nosso tutorial Entendendo a Certificação 80 Plus para aprender mais sobre a certificação de eficiência 80 Plus.

Correção do Fator de Potência

Todos os equipamentos que tenham motores e transformadores – como é o caso da fonte de alimentação – consomem dois tipos de energia: ativa (medida em kWh) e reativa (medida em kVArh). Energia ativa é aquela que produz trabalho, por exemplo, a rotação do eixo de um motor. Energia reativa (também chamada energia magnetizante) é aquela que não produz trabalho mas é necessária para produzir o fluxo magnético necessário ao funcionamento dos motores, transformadores, etc. A composição dessas duas energias consumidas é chamada energia aparente e é medida em kVAh. Para clientes industriais, a concessionária de energia elétrica mede e cobra a energia aparente, mas para clientes residenciais e comerciais, a energia medida e cobrada é a energia ativa.
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O problema é que a energia reativa, apesar de necessária para motores e transformadores, ela "ocupa espaço" no sistema que poderia ser usado por mais energia ativa.

Fator de potência é a relação entre energia ativa e a energia aparente de um circuito (fator de potência = energia ativa / energia aparente). Esta relação está compreendia entre 0 (0%) e 1 (100%) e quanto mais próximo de 1 este fator, melhor, pois significa que o circuito está consumindo pouca energia reativa.

De forma a otimizar o consumo de energia reativa, vários países – inclusive o Brasil – possuem em sua legislação o percentual máximo de energia reativa que usuários podem consumir. Para você ter uma ideia de valores, a resolução 456 da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), publicada no ano 2000, determina em seu artigo 49, alínea III, que clientes industriais tenham um fator de potência de, no mínimo, 0,92 (92%). Se o cliente tiver um fator de potência inferior a este valor (ou seja, está consumindo energia reativa acima do permitido pela lei), paga-se multa. Esta multa é calculada de forma simples: multa = valor da conta de eletricidade x (0,92 / fator de potência - 1). Por exemplo, se o fator de potência apurado em um determinado mês por uma indústria for de 0,85 (85%), ela pagará 8,235% de multa sobre o valor da conta de eletricidade. Para mais informações sobre a legislação brasileira:  http://www.aneel.gov.br/cedoc/res2000456.pdf

A ideia da multa é fazer com que as indústrias melhorem seus fatores de potência, de forma a não usarem muita energia reativa, já que como já foi dito, este tipo de energia sobrecarrega o sistema com um tipo de energia que não é usada de fato mas é necessária para fazer motores e transformadores funcionarem.

Essa melhoria em geral envolve a verificação se não há motores e transformadores operando "em vazio" ou superdimensionados. A energia reativa necessária para operar em "carga total" é praticamente a mesma necessária para operar em menor carga. Ou seja, se um motor opera com uma carga menor, ele consome menos energia ativa, mas o seu consumo de energia reativa é quase o mesmo que se ele estivesse operando em carga máxima, fazendo com que o fator de potência seja baixo. Outros pontos normalmente verificados são se o nível de tensão da rede está acima das especificações e se as lâmpadas fluorescentes (que necessitam de um reator, que é um tipo de transformador) usam circuitos de correção de potência e ainda a instalação de bancos de capacitores para corrigir o fator de potência (circuitos de correção de potência, nosso próximo assunto) do sistema elétrico.

A questão toda é que vários países estão começando a adotar legislações que obrigam fabricantes de equipamentos eletro-eletrônicos voltados para o usuário final a também respeitarem o fator de potência, assim como é exigido a clientes industriais. A partir de janeiro de 2001 a União Européia passou a exigir que todos os equipamentos eletro-eletrônicos vendidos naquela região com potência superior a 70 W passassem a ter circuitos de correção de potência, de forma a consumirem o menos possível energia reativa do sistema elétrico. É esperado que outros países comecem a adotar medidas semelhantes.

Por este motivo, os fabricantes de fontes de alimentação que quisessem vender para a Europa a partir do ano 2001 tiveram que passar a construir fontes de alimentação com circuitos de correção de potência, que em inglês é chamado power factor correction ou simplesmente PFC.

Existem dois tipos de circuito de correção de potência: passivo e ativo. O circuito passivo usa componentes que não necessitam de alimentação (tais como bobinas com núcleo de ferrite) e faz com que o fator de potência fique entre 0,60 (60%) a 0,80 (80%). Já o circuito ativo utiliza componentes eletrônicos tais como circuitos integrados, transistores e diodos e, de acordo com os fabricantes, faz com que o fator de potência fique na faixa de 0,95 (95%). Fontes de alimentação sem qualquer circuito de correção de potência têm um fator de potência inferior a 0,60 (60%).

A correção de potência não está relacionada com eficiência e este é o equívoco mais comum que vemos no mercado. Este circuito não faz com que o seu micro consuma menos eletricidade do tipo que nós pagamos. Como explicamos, o circuito de correção de potência serve para fazer com que a fonte consuma menos energia reativa do sistema elétrico e, com isso, otimizar a rede elétrica (permitindo que a concessionária forneça mais energia ativa). A inclusão deste tipo de circuito foi feita somente para atender às legislações sobre consumo elétrico, em particular a européia. Como a tendência é que outros países comecem a adotar legislações similares, os fabricantes já estão se preparando, fabricando fontes com este tipo de circuito.

Honestamente, não há qualquer vantagem para o usuário final ter ou não ter uma fonte com correção do fator de potência (PFC). Dizer que uma fonte com este circuito é melhor para o usuário é uma jogada de marketing dos fabricantes de fonte de alimentação para te convencer a comprar uma fonte de alimentação mais cara. Na realidade este tipo de fonte é melhor para a concessionária de energia elétrica, que precisará fornecer menos energia reativa, que sobrecarrega o sistema, mas para o usuário final não faz diferença, já que, pelo menos por enquanto, não somos sobretaxados caso o nosso consumo de energia reativa supere um determinado nível, como ocorre com clientes industriais. Nem tampouco as concessionárias cobram dos usuários não-industriais pelo uso deste tipo de energia.

Para mostrar na prática o que estamos explicando, veja na Figura 13 a nossa conta de luz. Por motivos de segurança apagamos nossos dados pessoais, mas gostaríamos que você percebesse algumas coisas. Para a cobrança da energia consumida há duas áreas na conta, "energia ativa" e "energia reativa". O campo "energia reativa" está em branco. Como explicamos, o circuito de correção do fator de potência (PFC) faz com que a fonte consuma menos energia reativa – que não é cobrada na conta dos consumidores comuns! Outro ponto, a unidade da energia cobrada é kWh, que é unidade de energia ativa. Se a concessionária estivesse cobrando energia reativa, teria de haver alguma discriminação listando o consumo em kVArh (unidade de energia reativa) ou ainda em kVAh (unidade de energia aparente, que embute a energia reativa). Como explicamos, a energia reativa é cobrada somente de clientes industriais.


Figura 32: Exemplo de conta de luz.

Em termos práticos, uma fonte de alimentação com PFC basicamente significa que o fabricante pode vendê-la na Europa.

Como mencionamos anteriormente, a vantagem de ter fontes de alimentação com PFC ativo é que elas são “bivolt”, e você não precisa selecionar a tensão de entrada através de uma chave 110 V/220 V.

Estabilidade da Tensão, Ripple e Ruído

As tensões nas saídas de uma fonte de alimentação precisam estar bem próximas de seus valores nominais. Em outras palavras, nós queremos ver as saídas de +12 V fornecendo +12 V e não +13 V!.

As tensões tendem a cair com o aumento na carga. Fontes de alimentação chaveadas são sistemas de laço fechado, o que significa que elas estão constantemente lendo os valores na saída e reconfigurando a fonte automaticamente para certificar-se de que as saída estão sempre fornecendo suas tensões corretas.

Uma pequena diferença de até 5% para as tensões positivas ou até 10% para as tensões negativas é tolerável. Veja a tabela abaixo. A tensão de -5 V não é mais usada e nós a incluimos na tabela apenas para referência.

Saída

Tolerância

Mínimo

Máximo

+12 V

±5%

+11,40 V

+12,60 V

+ 5 V

±5%

+4,75 V

+5,25 V

+5VSB

±5%

+4,75 V

+5,25 V

+3,3 V

±5%

+3,14 V

+3,47 V

-12 V

±10%

-13,2 V

-10,8 V

-5 V

±10%

-5,25 V

-4,75 V

Além disso, a fonte de alimentação precisa ser capaz de fornecer uma saída “limpa”. Em um mundo perfeito as tensões nas saídas da fonte seriam descritas como uma única linha horizontal quando vista em um osciloscópio. Mas no mundo real elas não são perfeitamente retas, elas apresentam uma pequena oscilação, chamada ripple. No topo desta oscilação você pode ver alguns picos ou ruídos. O ripple e o ruído juntos não podem exceder 120 mV nas saídas de +12 V e 50 mV nas saídas de +5 V e +3,3 V. Esses valores são pico-a-pico.

Vamos mostrar a você alguns exemplos para uma melhor compreensão desta questão. Na Figura 33 nós temos a saída de +12 V da fonte de alimentação PC Power & Cooling Silencer 750 Quad fornecendo 750 W. Como nosso osciloscópio estava ajustado em 0,02 V/div, isto significa que cada quadrado verde representa 0,02 V (20 mV) no eixo y. O nível de ruído medido por nosso osciloscópio foi de 50 mV, muito longe do limite máximo de 120 mV. Agora compare a Figura 33 com a Figura 34. A Figura 34 mostra a saída de +12 V da fonte WiseCase WSNG-650WR-2*8+APFC fornecendo 650 W. Nosso osciloscópio mediu 115,4 mV. Apesar de estar (quase no limite) dentro da especificação, nós sempre queremos ver fontes de alimentação com valores de ripple e ruído com os menores valores possíveis. Metade do nível máximo permitido é uma boa medida.


Figura 33: Baixo nível de ruído.


Figura 34: Alto nível de ruído.

O nível de ruído é certamente algo que a maioria dos usuários não se preocupa e é apenas analisado em testes como os publicados pelo Clube do Hardware. A maioria dos sites não tem um osciloscópio para executar testes de fontes de alimentação, publicando testes inúteis (para uma melhor discussão sobre este assunto leia nosso artigo Porque 99% dos Testes de Fontes de Alimentação Estão Errados).

Múltiplos Barramentos de +12 V

De modo a preencher os requisitos das normas UL 1950, CSA 950, EN 60950 e IEC 950, a especificação ATX12V determina que nenhuma saída pode fornecer mais do que 240 VA continuamente (240 VA é a mesma coisa de 240 W em um circuito CC). Uma coisa que é frequentemente mal entendida é que este limite é POR FIO..

Para estar de acordo com essas especificações os fabricantes precisariam incluir um circuito de proteção contra sobrecarga de corrente (OCP) em cada fio da fonte de alimentação, cortando o fluxo de corrente naquele fio caso o circuito conectado a ele esteja extraindo mais do que 240 W.

Isto significaria que as fontes de alimentação precisariam incluir um circuito OCP para cada fio de +12 V, +5 V, +3,3 V, +5VSB e -12 V provenientes da fonte de alimentação. Uma fonte de baixo custo tem pelo menos 20 fios saindo dela, com modelos topo de linha possuindo o dobro disto. Pense não apenas no custo de fazer isto, mas também do espaço que este circuito ocuparia dentro da fonte!

Por essa razão é que os fabricantes decidiram brincar com o fato de que a corrente quase nunca é extraída de um único fio. Por exemplo, a corrente do processador do micro é dividida em dois (ATX12V) ou quatro (EPS12V) fios de +12 V, a corrente para as placas de vídeo é dividida em três (PEG de 6 pinos) ou quatro (PEG de 8 pinos) fios de +12 V e assim por diante. Em outras palavras, você precisaria de um processador extraindo 480 W de um conector ATX12V ou 960 W de um conector EPS12V para atingir o limite de 240 VA; você precisaria de uma placa de vídeo extraindo 720 W de um conector PEG de 6 pinos ou 960 W de um conector PEG de 8 pinos para atingir o limite de 240 VA e assim por diante.

Alguns fabricantes decidiram implementar um circuito de proteção contra sobrecarga de corrente (OCP) para todos os fios de +12 V, simplesmente confiando no fato de que é altamente improvável que em dado momento um único fio de +12 V forneceria mais de 240 W em uma fonte de alimentação para PCs, por causa do que explicamos no parágrafo anterior. Esta abordagem é chamada projeto com um único barramento. Na verdade algumas fontes de alimentação, especialmente as mais simples, não têm nenhum circuito OCP (circuitos de proteção são opcionais, nós falaremos mais sobre isto na próxima página).

Outros fabricantes, acreditando que alguns fios podem na verdade fornecer mais do que 240 W durante a operação normal do PC, decidiram incluir mais de um circuito de proteção contra sobrecarga de corrente (OCP). Cada grupo de fios que é conectado em um único circuito OCP é chamado, neste contexto, “barramento”. Portanto o circuito OCP entrará em ação caso este grupo de fios (ou “barramentos”) extraia mais corrente do que o ponto de acionamento (ou seja, se o circuito OCP estiver configurado a 20 A ele desligará o fluxo de corrente no grupo de fios caso eles juntos extraiam mais de 20 A).

Eles não são “barramentos reais” porque quase sempre a fonte de alimentação tem internamente apenas um circuito para gerar as saídas de +12 V, e é por isso que frequentemente nós chamamos esses barramentos de “virtuais”.

Esta segunda abordagem é chamada projeto com múltiplos barramentos e é muito usada atualmente. Em fontes de alimentação com este projeto você verá mais de um barramento de +12 V listado na etiqueta (por exemplo, +12V1, +12V2, +12V3, etc) – veja a Figura 29 para um exemplo real.

Um efeito colateral do projeto com múltiplos barramentos é que você precisa se preocupar com a distribuição de potência: se você extrair muita corrente/potência de um dado barramento ele será desligado caso atinja a corrente de ativação do circuito OCP do barramento, mesmo que o micro esteja funcionando em circunstâncias normais – por exemplo, se você tem o processador e duas placas de vídeo conectados no mesmo barramento (a solução é mover pelo menos um desses componentes para um barramento diferente). Isto acontece porque o a corrente de acionamento do circuito OCP em projetos com múltiplos barramentos é configurada com um valor menor se comparado com um projeto de um único barramento.

Mas preste especial atenção porque várias fontes de alimentação são anunciadas como tendo múltiplos barramentos, mas a proteção contra sobrecarga de corrente está configurada com um valor muito alto o que faz com que ela trabalhe como se tivesse apenas um barramento. Algumas fontes não têm nenhuma proteção contra sobrecarga de corrente, sendo na verdade fontes com um único barramento.

Em resumo, projetos com um único barramento são usado por fontes de alimentação com apenas um ou nenhum circuito de proteção contra sobrecarga de corrente (OCP) enquanto que projetos com múltiplos barramentos são usados por fontes com mais de um circuito OCP.

Proteções

Proteção é sempre desejável, mas uma coisa que muita gente não sabe é que de acordo com os padrões ATX12V e EPS12V apenas as proteções contra sobretensão (OVP), curto-circuito (SCP) e sobrecarga de corrente (OCP) são exigidas. Todas as demais proteções são opcionais e cabe ao fabricante implementá-las ou não. Claro, quanto mais proteções uma fonte tiver, melhor..

Vamos primeiro listar as proteções mais comuns disponíveis e depois falaremos sobre alguns fatos interessantes sobre elas.

A ideia das proteções é desligar a fonte caso algo de errado aconteça, impedindo que ela queime e/ou possa pegar fogo. Por exemplo, se você extrair mais potência do que a fonte é capaz de fornecer ela pode queimar caso a proteção contra sobrecarga de potência não tenha sido implementada. Com esta proteção a fonte desligará em vez de queimar.

Todas as proteções são configuráveis pelo fabricante. Pegue a proteção contra sobretensão (OVP). Os padrões ATX12V e EPS12V sugerem uma faixa de tensão que o fabricante pode usar para ativar este circuito, mas fica a critério do fabricante escolher que valor será usado.

O problema é que alguns fabricantes configuraram suas proteções com valores muito “frouxos”, permitindo que algo de errado aconteça antes que a proteção apropriada entre em ação.

Vamos dar alguns exemplos reais que vimos quando sobrecarregamos algumas fontes.

Uma dada fonte estava operando com suas tensões completamente fora da faixa permissível, mas a fonte ainda estava ligada porque embora as tensões estivessem erradas elas não atingiram os níveis necessários para ativar os circuitos de proteções contra subtensão (UVP) e sobretensão (OVP).

Outro exemplo – infelizmente mais comum – é com fontes onde o circuito contra sobrecarga de corrente (OCP) está configurado com um valor muito alto para a fonte que está operando como se não tivesse um OCP. A mesma coisa é válida para o circuito OPP.

Padrão de Pinagem

Pino Cor Saída
1 Laranja +3,3V
2 Laranja +3,3V
3 Preto Terra
4 Vermelho +5V
5 Preto Terra
6 Vermelho +5V
7 Preto Terra
8 Cinza Power Good
9 Lilás +5VSB
10 Amarelo +12V
11 Amarelo +12V
12 Laranja +3,3V
13 Laranja +3,3V
14 Azul -12V
15 Preto Terra
16 Verde Power On
17 Preto Terra
18 Preto Terra
19 Preto Terra
20 Branco -5V
21 Vermelho +5V
22 Vermelho +5V
23 Vermelho +5V
24 Preto Terra
Pino Cor Saída
1 Preto Terra
2 Preto Terra
3 Preto Terra
4 Preto Terra
5 Amarelo +12V
6 Amarelo +12V
7 Amarelo +12V
8 Amarelo +12V
Pino Cor Saída
1 Preto Terra
2 Preto Terra
3 Amarelo +12V
4 Amarelo +12V
Pino Cor Saída
1 Amarelo +12V
2 * *
3 Amarelo +12V
4 Preto Terra
5 Sense0†
6 Preto Terra

* Pela especificação do PCI Express, este pino deveria ficar desconectado, porém a especificação EPS12V indica que este pino deve ser colocado em +12 V (fio amarelo)..

† O pino Sense0 é usado para indicar à placa de vídeo qual tipo de conector está sendo usado. Quando este pino é aterrado (fio preto) e o pino Sense1 não é encontrado (o que é o caso), isto indica que o conector é de seis pinos. Portanto, conectores de seis pinos têm este pino aterrado.

Pino Cor Saída
1 Amarelo +12V
2 Amarelo +12V
3 Amarelo +12V
4 Sense1†
5 Preto Terra
6 Sense0†
7 Preto Terra
8 Preto Terra

† Os pinos Sense0 e Sense1 formam um código para indicar à placa de vídeo qual tipo de conector de alimentação está sendo usado. Quando ambos são aterrados (fio preto), isto indica que um conector de oito pinos está sendo usado. É por este motivo que em conectores de oito pinos os pinos 4 e 6 são aterrados.

Pino Cor Saída
1 Laranja +3,3V
2 Laranja +3,3V
3 Laranja +3,3V
4 Preto Terra
5 Preto Terra
6 Preto Terra
7 Vermelho +5V
8 Vermelho +5V
9 Vermelho +5V
10 Preto Terra
11 Preto Terra
12 Preto Terra
13 Amarelo +12V
14 Amarelo +12V
15 Amarelo +12V
Pino Cor Saída
1 Amarelo +12V
2 Preto Terra
3 Preto Terra
4 Vermelho +5V
Pino Cor Saída
1 Vermelho +5V
2 Preto Terra
3 Preto Terra
4 Amarelo +12V
Pino Cor Saída
1 Laranja +3,3V
2 Laranja +3,3V
3 Preto Terra
4 Vermelho +5V
5 Preto Terra
6 Vermelho +5V
7 Preto Terra
8 Cinza Power Good
9 Lilás +5VSB
10 Amarelo +12V
11 Laranja +3,3V
12 Azul -12V
13 Preto Terra
14 Verde Power On
15 Preto Terra
16 Preto Terra
17 Preto Terra
18 Branco -5V
19 Vermelho +5V
20 Vermelho +5V
Pino Cor Saída
1 Preto Terra
2 Preto Terra
3 Preto Terra
4 Laranja +3,3V
5 Laranja +3,3V
6 Vermelho +5V
Pino Cor Saída
1 Laranja Power Good
2 Vermelho +5V
3 Amarelo +12V
4 Azul -12V
5 Preto Terra
6 Preto Terra
7 Preto Terra
8 Preto Terra
9 Branco -5V
10 Vermelho +5V
11 Vermelho +5V
12 Vermelho +5V

Originalmente em http://www.clubedohardware.com.br/artigos/Tudo-o-Que-Voce-Precisa-Saber-Sobre-Fontes-de-Alimentacao/976

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