Análise de componentes - Como escolher uma fonte de alimentação

Physics · 24 de abril de 2021

Olá, novamente! Seguindo o que dizemos no tópico anterior, cá estamos com mais um tópico do nosso guia de seleção de fontes de alimentação. Dessa vez, é sobre a minha área favorita: a seleção de componentes. A fim de resumir e não extender muito mais o tópico, eu procurei listar apenas dois componentes essenciais. Com a ajuda dos meus parceiros, conseguimos produzir este texto para vocês. Aproveitem!

A escolha de uma fonte de alimentação, além do dimensionamento, conforme mostrado anteriormente, envolve outras variáveis, uma delas é a qualidade de construção dos modelos.

No meio das fontes de alimentação, é bastante comum que verifiquemos que as empresas selecionem componentes que sejam apenas suficientes para a sua demanda. Essa prática pode ser resumida em: se o produto é funcional, então isto é suficiente.

No entanto, devemos alertar que a qualidade de um produto o afeta em dois pontos críticos, que sempre devem ser considerados para se realizar qualquer compra:

Durabilidade do produto

A durabilidade do produto se refere ao tempo em que o modelo se encontrará operacional, ou seja, operando em plena capacidade, sem apresentar defeitos. É gravemente afetada, não apenas pelos modelos dos componentes, mas pelo projeto como um todo, o que envolve desde o desenho dos circuitos até o local de utilização.

Confiabilidade do produto

A confiabilidade, por sua vez, se refere ao tempo em que o modelo encontrará apresentando resultados estáveis, ou seja, dentro das suas especificações, com fornecimento energético de boa qualidade. Aqui está um ponto que poucos realmente consideram, afinal, nos testes realizados em unidades novas, que acabaram de ser retiradas de suas embalagens, há uma boa chance de que a performance obtida seja agradável, mas unidades com qualidade de construção baixa, acabam sofrendo mais com a ação do tempo. Conforme a degradação dos seus componentes ocorre, a degradação do seu fornecimento energético também.

Essas unidades, em um período geralmente curto, começam a apresentar vícios e resultados inferiores. Não é incomum ver unidades de baixo custo começarem a ter problemas de desligamento devido a degradação de componentes, que tornam a line regulation instável.

Também podemos verificar isso quando alguma unidade começa subitamente a apresentar ruído elevado no fan ou em seus indutores, assim como nos componentes e ainda casos em que os componentes começam a ter problemas de estabilidade ao operarem em overclock.

O usuário naturalmente fica embasbacado nesta situação, imaginando o que poderia ter ocasionado tudo isso. Em algumas ocasiões, suspeitam corretamente da fonte de alimentação, mas dificilmente entendem o porquê de um modelo que teria se saído bem em testes ter apresentado tantos problemas. Por fim, culpam o testador.

Verificação e análise

É comum ver especialistas analisarem componentes das suas unidades. Apesar de muitos se aterem a analisar componentes passivos, pois temos uma introspecção de dados remetendo à qualidade destes componentes, permitindo que seja possível avaliá-los independentemente do circuito onde estes foram inseridos, também podemos verificar componentes diferentes, como transistores e resistores.

Orgulho-me bastante de poder trazer, em conjunto com a minha equipe, análises compreendendo uma verificação aprofundada dos componentes utilizados, permitindo aos usuários entenderem melhor sobre a qualidade dos componentes utilizados. Por isso, também é possível compartilhar algumas experiências com relação às análises de componentes. Para isso, introduzirei dois componentes relevantes, que devem ser verificados pelo consumidor.

Hold-up capacitor

Capacitores são componentes que não recebem a atenção que merecem, mas afetam consideravelmente a confiabilidade das unidades. A partir disso, destacamos um capacitor, em específico, cuja qualidade é essencial para o funcionamento adequado de qualquer unidade. Este é o hold-up capacitor do primário, um capacitor eletrolítico bem grande e com tensão operacional bastante elevada.

Muitas fontes de alimentação utilizam hold-up capacitors para manter energia suficiente na saída da bridge rectifier para alimentar uma carga quando a tensão retificada cai e sobe novamente na metade do ciclo de tensão AC seguinte. Quando a tensão da linha retificada vai abaixo da tensão através do hold-up capacitor, o capacitor alimenta o circuito conversor de energia que o segue. Assim, este capacitor garante uma operação suave e sem falhas para toda a alimentação de energia.

O hold-up capacitor é carregado a partir da saída do retificador, através da baixa resistência do retificador e da linha AC, de modo que a tensão através do capacitor segue a tensão da linha retificada enquanto ele carrega. O capacitor então descarrega através do conversor de energia que alimenta a carga.

Geralmente, quando se fala sobre este capacitor, tem-se uma ideia sobre qualidade, que se baseia na escolha de modelos de empresas japonesas e isso coincide com uma história interessante sobre esse tipo de capacitor utilizado em fontes de alimentação.

Um capacitor eletrolítico é um tipo de capacitor que utiliza um eletrólito para alcançar uma capacitância maior do que outros tipos de capacitores. Segundo relatos, a história por trás deste problema seria de que um cientista trabalhando para a Rubycon, deixou a empresa e começou a trabalhar para a Luminous Town Electric, na China. Ele desenvolveu uma cópia de um eletrólito à base de água da Rubycon, que é utilizado nos capacitores de ESR baixa, que eram bastante utilizados em placas-mãe. Infelizmente, sua equipe partiu e roubou sua fórmula do eletrólito.

Eles, então, começaram a produzir toneladas do eletrólito e forneceram a muitos fabricantes de capacitores de Taiwan. Infelizmente a fórmula estava incompleta e não continha os aditivos que impedem a ocorrência de eletrólise dentro dos capacitores e a liberação de gás hidrogênio que explode o capacitor nas aberturas na parte superior ou inferior do capacitor. A partir disso, os capacitores de baixa qualidade teriam surgido.

No entanto, devemos lembrar que essa história teria ocorrido há décadas atrás e que as fabricantes se desenvolveram consideravelmente ao decorrer do tempo, principalmente após um fenômeno conhecido como praga dos capacitores, no qual, durante um certo período, capacitores eletrolíticos de todas os fabricantes estavam apresentando defeitos em diversos eletrônicos. Atualmente, é possível encontrar diversos fabricantes de Taiwan, Coréia do Sul e China (muitos dos quais estabeleceram empreendimentos conjuntos com empresas japonesas), com produtos de qualidade similar ou superior aos produtos de empresas tradicionais japonesas.

Desmistificando

A partir desse ponto, devo assumir que muitos conhecem uma certa lista de níveis de fabricantes de capacitor, que é amplamente utilizada pela comunidade. No entanto, gostaria de fazer uma recomendação:

Citação

Se você não tem entendimento sobre os critérios de uma lista de níveis, não a utilize. Se tiver e quiser utilizá-la, seja crítico.

Primeiramente, a lista de níveis considera apenas as empresas e não os seus produtos. Tudo bem que, normalmente, saber quem é a empresa que fabrica pode dizer bastante sobre o funcionamento do modelo, a validade de suas especificações e a sua confiabilidade durante a utilização, mas há diversos pontos citados no texto que passam despercebidos pelos leitores.

Primeiramente, os aclamados capacitores japoneses são capacitores de empresas japonesas. Isso quer dizer que eles não são, necessariamente, fabricados ou verificados no Japão. Muitas dessas fabricantes recorrem às suas instalações na Malásia, China, Tailândia e Coréia do Sul, onde podem produzir com custo reduzido. Em algumas ocasiões, também negociam a produção nas instalações de outras empresas, geralmente fornecendo o eletrólito para que o capacitor seja fabricado. De forma geral, a partir disso, é interessante que sejam consideradas as características dos componentes em relação à sua aplicação.

É comum que fontes de baixo custo menosprezem esse componente. Segundo os dados obtidos por projetistas atuais, cujo enfoque é a redução do custo de produção, os capacitores teriam menor relevância com relação aos resultados obtidos. No entanto, isto é uma inverdade, pois se não fosse assim, unidades de maior qualidade não se preocupariam em escolher capacitores de alta capacitância e ESR baixa.

De forma a simplificar a procura, listarei características cruciais para que devem ser consideradas para se avaliar a qualidade de capacitores, mesmo quando não estão acessíveis:

Resistência em série equivalente (ESR)

A resistência em série equivalente (ESR) de um capacitor é a resistência interna que aparece em série com a capacitância deste. Menores valores indicam que o capacitor está mais próximo do seu estado ideal. Isso propicia a redução de oscilações de tensão, gera um aumento de eficiência e reduz o aquecimento do capacitor, por consequência. Entretanto, se as unidades utilizarem apenas capacitores com valores baixos deste parâmetro, pode haver instabilidades de tensão por falta de resistência.

Temperatura máxima rotulada

Se refere à temperatura máxima em que o modelo pode operar. Valores acima do especificado podem ocasionar em explosão. Quanto maior a temperatura máxima, maior é a durabilidade do capacitor. Seguindo a regra de Arrhenius, a cada 10°C a menos, temos o dobro de vida útil para o capacitor, portanto capacitores com rotulação mais alta de temperatura terão maior durabilidade.

Tensão operacional rotulada

Se refere à tensão máxima a qual o modelo suporta operar. Valores acima do especificado podem ocasionar em queima. Quanto maior a tensão operacional, maior é a durabilidade do capacitor. Caso essa margem seja muito alta, também pode-se ter um efeito positivo quanto ao tempo de sustentação, em comparação com um modelo com capacitância similar e tensão operacional mais baixa.

Tempo de vida útil

Com nome autoexplicativo, se refere ao tempo de vida útil operando em suas condições especificadas máximas, portanto, modelos que operam em condições menos intensas, duram mais.

Capacitância

A capacitância é a capacidade de um componente ou circuito de coletar e armazenar energia sob a forma de uma carga elétrica. Quanto maior o seu valor, maior é a capacidade de armazenamento do capacitor. Isso propicia o aumento do tempo de sustentação, o tempo de resposta a transientes, permite a execução dos ciclos de chaveamento e aumenta a eficiência, por consequência. No entanto, se as unidades utilizarem apenas capacitores com valores altos deste parâmetro, pode haver perdas de eficiência.

Geralmente, a ESR é diretamente relacionada à capacitância. Quanto maior for a capacitância, menor é a ESR.

Como são escolhidos?

Como devem imaginar, capacitores de boa qualidade não são muito baratos, principalmente modelos de empresas renomadas. Com a imensa quantidade de benefícios apresentados acima, você deve se questionar se a economia neste componente é realmente válida. Do ponto de vista da fabricante, devo dizer que é uma economia muito bem vinda. Por exemplo:

Você tem um orçamento para uma fonte de alimentação bastante limitado e quer reduzir os custos de fabricação, mas precisa atingir uma meta de eficiência. A você, são oferecidas duas opções. A primeira, é investir em um controlador de chaveamento melhor e transistores mais potentes no primário. A segunda, é investir em um capacitor maior. Bom, até o momento você deve considerar as condições, se os transistores que você estava considerando tinham potência suficiente, se o seu controlador tinha uma performance decente. E então, a pessoa comenta sobre a diferença de custos de cada alteração. A primeira custaria por volta de U$1,50 e a segunda custaria por volta de U$2,50.

A diferença de custos é suficientemente relevante para que qualquer fabricante repense sobre a utilização de um capacitor melhor, mesmo que em detrimento de uma maior confiabilidade.

Fans

O fan é outro componente ao qual nos referimos como essencial para a durabilidade. Neste componente tem-se uma grande incidência de defeitos, mal funcionamento e retorno à garantia. Fans são muito propícios a apresentarem defeitos, principalmente se apresentarem baixa qualidade.

Então, primeiramente, é importante falarmos um pouco sobre o tipo de fan utilizado nas fontes de alimentação. Quando falamos de computadores, de forma geral, o tipo de fan utilizado é o fan com motor sem escova.

Motores sem escova são construídos com um eletroímã estacionário e ímãs que rotacionam, funcionando de contrariamente aos motores com escova. No caso de fans utilizados para este fim, instala-se o ímã na armação das pás, e esta armação tem um eixo. Este conjunto se move quando instalado na moldura do fan. Os eletroímãs são instalados nele, mas eles não se movem. O eixo da armação das pás é instalado no meio da peça, onde os indutores estão instalados, no rolamento.

Esses motores podem utilizar vários indutores. Costuma-se adotar mais indutores para que seja possível reduzir o ruído produzido em alta velocidade de rotação. Para controlar esses indutores, utiliza-se um motor driver IC, cuja função é alimentar esses indutores para rotacionar o fan. Há diversos métodos de controle, alguns desses ICs utilizam sensores baseados em Hall effect, no entanto, é mais comum que se encontre controladores de baixo custo, que não conseguem executar essa tarefa de modo adequado, ocasionando em um ruído audível elevado no motor. Esse problema ocorre principalmente em modelos cujo ajuste de velocidade é baseado em tensão, enquanto modelos que utilizam modulação por largura de pulso sofrem menos com isso. No entanto, o ruído não se limita aos motores. Normalmente, é atribuído apenas ao rolamento.

O rolamento é o componente que permite que o eixo do motor gire, sendo o ponto de contato entre o conjunto do eixo da armação das pás e a moldura. É bastante comum verificar que entre os fans utilizados nos computadores, os rolamentos baseados em mancal se destacam. Isso ocorre pois, em geral, são mais silenciosos do que os rolamentos baseados em rolamento de esferas. No entanto, modelos que utilizam sleeve bearing tendem a apresentar ruído extremamente elevado ao decorrer do tempo. Isso ocorre pois o lubrificante seca com o correr do tempo e não pode ser evitado. Lubrificantes de melhor qualidade se mantêm vivos por um período maior, mas ainda assim, são afetados pela temperatura operacional e pelo tempo de uso. No entanto, a secagem e a consequente falta de lubrificante não ocorrem apenas por culpa deste. O formato interno do rolamento é relevante nessa questão. Por exemplo:

Fans baseados em sleeve bearing não são adequados para montagem horizontal, pois quando instalados nesta orientação, o óleo dentro do mancal se concentra em um dos lados do eixo, de maneira não uniforme. Isto faz com que ocorra um aumento do atrito, que consequentemente fará com que mais ruído seja produzido. Por isso, estes são inadequados para serem utilizados em fontes de alimentação, mas os fabricantes tendem a utilizá-los pelo custo reduzido que têm. Enquanto isso, fans baseados em rifle bearing, não têm esse problema. Por terem ranhuras na parte interna do rolamento, o lubrificante é bombeado por todo o rolamento, assim sendo distribuído de maneira mais uniforme. Ainda há também o fluid dynamic bearing, criado e patenteado pela Matsushita (Panasonic), também baseado em mancal, mas o eixo rotaciona dentro do mancal, fazendo com que este esteja sempre lubrificado, sendo assim bastante silencioso. Começou a ser amplamente utilizado após a concessão da patente à Protechnic Electric.

Algumas fontes de alimentação também têm fans baseados em double ball bearing, que apresentam maior durabilidade e podem operar em temperatura mais elevada, mas que sofrem com ruído elevado durante a sua operação. A exceção fica para quando operam em alta velocidade. Também há o magnetic levitation bearing, patenteado pela Sunon, que faz conjunto do eixo da armação das pás levite dentro do cilindro da moldura por meio do magnetismo. Esses modelos apresentam ruído muito baixo do rolamento. No entanto, se operarem em alta velocidade, produzem maior ruído audível pelo deslocamento de ar e também por conta do motor. Apenas a Corsair faz uso deste segundo tipo de rolamento em suas fontes de alimentação.

Seleção dos fans

Considerando tudo isso que foi citado acima, podemos concluir que selecionar um modelo cujo fan é adequado não é uma tarefa muito simples, mas que é possibilitada por conta de análises e avaliação. De maneira breve, destaco alguns pontos para serem verificados a fim de encontrar um fan que atenderá não apenas quesitos relacionados à durabilidade, mas também à produção de ruído e refrigeração:

Motor driver integrated circuit

Conforme mencionado anteriormente, um controlador melhor incide em menor ruído e um controle melhor. Sendo extremamente difícil de se verificar o modelo deste componente, é interessante que se procure pelo relato de usuários com relação ao ruído do motor, que se caracteriza por ser um ruído de indutores. Geralmente ocorre quando o modelo é forçado a operar em uma velocidade muito abaixo do seu máximo operacional.

Velocidade máxima operacional

Se refere à velocidade máxima em que o modelo pode operar. É necessária atenção para que o modelo tenha capacidade de rotação suficiente para ser utilizado na unidade, de forma que a refrigeração seja suficiente para o modelo. Alguns fabricantes tendem a fazer seus fans operarem com velocidade mais baixa, propiciando a criação de pontos de calor ou superaquecimento, que reduz a vida útil de componentes mais sensíveis, principalmente os capacitores.

Formato e quantidade de pás

Este é outro parâmetro crucial. O formato das pás exerce uma influência extremamente alta com relação ao airflow e a static pressure. No entanto, não existe um único formato que resolva todos esses problemas, então este é bastante dependente da sua aplicação. Como não é simples verificar qual é o formato mais adequado, considere dois parâmetros. O primeiro é o fluxo de ar, que se refere à quantidade de ar movimentado. O segundo é a pressão estática do fan, que se refere à pressão de resistência contra a qual o fan tem que soprar para mover o ar na direção desejada. Com estes dois parâmetros, somados à identificação do espaço de ventilação (grelha e posição da fonte de alimentação), pode-se determinar se a escolha é adequada.

Quantidade de indutores

Conforme mencionado anteriormente, mais indutores resultam em menor ruído em alta velocidade operacional. No entanto, deve-se lembrar que mais indutores também são mais propensos à ruído elétrico e intensificam o problema relacionado ao ruído do motor operando em baixa velocidade. Geralmente, é comum que os modelos utilizem apenas 4 indutores, mas fabricantes de fans para gabinetes de computador costumam fazer modelos com até mesmo 6 destes.

Rolamento utilizado

Conforme mencionado anteriormente, rolamentos melhores incidem em maior durabilidade e menor ruído. Rolamentos adequados tendem a apresentar durabilidade maior do que 6 anos, enquanto o sleeve bearing tende a apresentar defeitos após 3 anos.

Grelha da unidade

Este parâmetro é importante, pois esta deve se relacionar com o direcionamento do fluxo, assim como também deve ser adequada para que o modelo consiga extrair o ar corretamente. É importante que seja considerada na hora de se escolher o modelo do fan. No entanto, isso não costuma ocorrer, pois alguns fabricantes tendem a utilizar grelhas com mais aberturas com modelos focados em static pressure, assim como outros utilizam grelhas muito fechadas, que interferem gravemente na ventilação, obrigando o fan a operar em velocidades mais altas, a fim de reduzir o aquecimento.

Encontrando dados

Conforme os pontos apresentados, pode-se perceber que, apesar do alto grau de complexidade do funcionamento de uma fonte de alimentação, há pontos sobre os quais podemos nos apoiar para avaliá-las. É claro que há muitos outros pontos além dos dois citados, mas estes dois, o fan e o hold-up capacitor, são sempre cruciais na hora de se avaliar o tempo de garantia que será dado para o projeto.

No entanto, é preciso encontrar estes dados, que nem sempre são acessíveis. Entre os métodos a se utilizar para encontrá-los, destacamos:

Procurar informações em análises

Um bom método é a leitura de análises e comentários de especialistas. É possível ver especialistas inserirem dados e documentos dos componentes utilizados e discorrerem sobre eles.

Buscar por folhas de dados

Sugiro que recorram às folhas de dados do produto, que podem ser encontradas ao buscar o código completo do produto no seu buscador ou acessando o site da fabricante.

Contatar a fabricante

Por fim, um método que recomendo em casos complexos, é que contatem a fabricante a fim de obter alguma folha de dados ou especificações.

A partir desse método, pude iniciar um perfil de compartilhamento de folhas de dados, onde coloco informações sobre componentes utilizados nas fontes de alimentação analisadas pela minha equipe e que me servem para auxiliar fabricantes a desenvolverem projetos com um melhor controle sobre as suas listas de componentes.