Introdução
As fontes de alimentação usadas nos computadores são baseadas em uma tecnologia chamada “modo de chaveamento”, “chaveamento em alta frequência” 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).
Figura 1: Diagrama em bloco de uma fonte de alimentação linear.
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 frequência de entrada da tensão alternada: 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.
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 frequência.
Em fontes de alimentação chaveadas em alta frequência a tensão de entrada tem sua frequência aumentada antes de ir para o transformador (50 a 60 kHz são valores típicos). Com a frequência 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 frequência”, 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.
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