Fontes de alimentação do PC
Para Estudos.
Escrito por Newton C Braga
Os computadores possuem fontes de alimentação com características especiais. O consumo elevado destes equipamentos não deixa margem a desperdícios de energia principalmente se levarmos em conta que esta energia se converte em calor. O calor é o maior inimigo dos componentes eletrônicos, como os encontrados nos computadores. Desta forma, as fontes de alimentação dos PCs apresentam configurações que o técnico deve conhecer, e condições de trabalho que precisam ser respeitadas por qualquer um que manuseie ou repare este tipo de equipamento. Mesmo aqueles que só operam um computador devem conhecer esta parte importante de seu equipamento.
Este artigo é de 1995. As fontes dos computadores atuais
também são chaveadas mas fazem uso de tecnologias mais modernas. As
informações dadas no artigo têm valor histórico.
A rede de energia fornece tensões alternadas de 110 V ou 220 V enquanto que os circuitos eletrônicos de um computador do tipo PC precisa de tensões contínuas de 5 e 12 Volts.
Estas tensões são obtidas por meio de circuitos denominados fontes de alimentação e sua configuração na sua parte básica não é muito diferente das fontes que encontramos em qualquer outro aparelho ligado à rede de energia tais como rádios, amplificadores, aparelhos de som, videocassetes, etc.
Conforme mostra a figura 1 temos um transformador que abaixa a tensão da rede de energia para um valor que se aproxime mais do que desejamos na saída e ao mesmo tempo isola o aparelho dessa rede, tornando-o seguro, à prova de choques.
Fonte básica sem regulagem.
Logo após o transformador temos um par de diodos ou uma ponte que retifica a tensão de modo que ela passa a ser contínua. Essa tensão carrega um capacitor, cuja finalidade é fazer a filtragem, obtendo-se assim uma tensão contínua que pode ser considerada pura o suficiente para alimentar os circuitos eletrônicos.
No entanto, esta tensão não é estabilizada e seu valor tende a oscilar conforme os circuitos alimentados exijam mais ou menos energia.
Num computador as oscilações são inadmissíveis, pois os circuitos são projetados para funcionar dentro de uma faixa muito estreita de tensões. Se ocorrerem variações tanto podem ocorrer erros no tratamento das informações processadas como até danos aos componentes.
É preciso então agregar ao circuito um regulador de tensão.
Nos aparelhos comuns o tipo mais usado de regulador é o analógico, em que temos um componente amplificador como, por exemplo, um transistor, que funciona como um "freio" para a corrente que circula na carga, conforme mostra a figura 2.
Uma fonte com regulagem simples com transistor em série com a carga.
Quando a carga, ou seja, o circuito alimentado exige mais corrente e por isso a tensão tende a cair, ele "libera" mais energia de modo a manter a tensão. É como um veículo carregado que, repentinamente encontra uma subida e deve manter a velocidade com a mesma aceleração, o motorista que mantinha esta velocidade pisando levemente no freio, solta o suficiente para ele compensar uma necessidade de mais força.
Este tipo de regulador, entretanto, tem uma séria desvantagem, como no caso da manutenção da velocidade do veículo pelo "pé no freio".
A energia que está sendo gasta para "segurar" o veículo converte-se em calor. Assim, a diferença entre a tensão que está "querendo passar"e a que obtemos na saída, multiplicada pela corrente, converte-se em calor, conforme mostra a figura 3.
Num aparelho de pequeno consumo como, por exemplo, um amplificador, um video-cassete, esta energia que é convertida em calor e portanto perdida não é muito grande sendo tolerada.
No entanto, num computador não: um computador comum pode exigir correntes tão elevadas como 20 ampères em sua saída, o que com 5V representam 100 watts. Se a fonte entregar 10V ao regulador, teremos uma queda de tensão de 5V nesse dispositivo, o que, com 20 ampères representa 100 watts de calor e de desperdício.
O problema maior não é somente desperdiçar 50% da energia nessa fonte, mas sim o calor em que ela se converte e que deve ser eliminado sem qualquer obstáculo.
Se tentarmos trabalhar com diferenças de tensões pequenas entre a entrada e a saída do regulador, podemos reduzir este problema, mas o circuito fica instável, no sentido de que sua faixa de atuação se reduz.
Como resolver o problema para o caso dos computadores?
A idéia de se utilizar fontes comutadas ou chaveadas é a mais aceita, e não só nos computadores, mas em todos os aparelhos eletrônicos de certo consumo, onde se deseja aliar economia de energia à eficiência.
O princípio de funcionamento de uma fonte chaveada não é difícil de ser entendido:
A conversão de energia em calor num dispositivo só ocorre quando ele oferece certa resistência à passagem da corrente. É o que acontece numa resistência de chuveiro que, oferecendo oposição à passagem da corrente se aquece e com isso aquece a água.
No caso do freio de um carro, o atrito que ocorre e a consequente força que transfere da pastilha de freio ao disco geram calor.
Se o freio for solto ou simplesmente travado, não há calor gerado, pois não temos o movimento com oposição. Da mesma forma, um dispositivo eletrônico que impeça totalmente a circulação da corrente ou que a deixe passar sem oposição não gera calor.
Uma chave que pode ser aberta ou fechada faz justamente isso, conforme mostra a figura 4.
Abrindo e fechando uma chave, podemos controlar um fluxo de corrente por uma carga.
A chave aberta não deixa passar a corrente e não há energia dissipada; a chave fechada não oferece oposição à corrente (a tensão entre seus extremos é nula) e, portanto, não há energia dissipada.
A idéia da fonte chaveada, conforme o nome sugere é usar uma chave que fique abrindo e fechando de modo a deixar passar para o circuito alimentado somente o que ele precisa: nem mais, nem menos, conforme mostra a figura 5.
O valor da tensão média obtida depende do ciclo ativo.
Se o circuito alimentado precisa de uma pequena quantidade de energia, ou seja, uma corrente muito baixa, a chave abre e fecha, mas fica mais tempo aberta do que fechada, ou seja, tem um "ciclo ativo" menor.
Se a carga exige mais corrente, para manter uma corrente maior, a chave fica fechada por mais tempo.
Veja que ao fechar, a chave aplica no circuito a tensão máxima, o que não é muito interessante. No entanto, se ligarmos na saída desta chave um circuito apropriado, ele pode "amortecer" as variações do "liga e desliga" de modo que na média tenhamos sempre a tensão desejada.
Veja então que se aplicarmos pulsos de 10 V com um tempo de fechamento igual ao de abertura, ou seja, um ciclo ativo de 50% isso equivale a uma saída de 5 Volts. Na "média" temos uma saída de 5 V.
As fontes chaveadas fazem justamente isso, com a diferença que a "chave" usada é de estado sólido, ou seja, um transistor bipolar comum ou um transistor de efeito de campo de potência, conforme mostra a figura 6.
Princípio de funcionamento de uma fonte chaveada: um FET comutador ou transistor comum de potência.
Estas chaves podem então abrir e fechar numa velocidade muito alta, entre 10 000 e 500 000 vezes por segundo (o valor típico é 50 000) controladas por um circuito especial que "sente" quando a carga precisa de mais ou menos corrente, e portanto a tensão precisa ser compensada.
O rendimento teórico de uma fonte deste tipo seria 100%, sem a produção alguma de calor devido à perdas, se os dispositivos usados como chave fossem infinitamente rápidos, mas isso não ocorre na prática.
Um transistor demora um certo tempo para abrir e para fechar um circuito, ou seja, para comutar, pois devem ser vencidas capacitâncias entre seus eletrodos e os próprios portadores de carga demoram um certo tempo para atravessar as junções.
Assim, em lugar de uma forma de onda perfeitamente retangular na saída, temos algo diferente, conforme mostra a figura 7.
Forma de onda.
A subida e descida da corrente no circuito no momento que ele liga ou desliga implica num intervalo de tempo em que o dispositivo apresenta uma certa resistência e portanto dissipa calor.
Evidentemente, o calor gerado nestas condições é bem menor do que o equivalente de uma fonte analógica, o que recompensa plenamente o uso destas configurações e elas são justamente as encontradas em muitos tipos de aparelhos, principalmente nos computadores.
Para "amortecer" as variações da corrente, existem diversas possibilidades, sendo as mais comuns as que fazem uso de capacitores e indutores.
Eles funcionam como espécies de "molas" amortecendo os "soquinhos" de corrente que o elemento comutador produz de modo a se ter uma saída continua suavizada com a tensão desejada na saída.
Na figura 8 temos um circuito típico de uma fonte chaveada do tipo que descrevemos.
Uma fonte chaveada de PC sugerida pela Motorola.
O transistor Q1 é o que faz o chaveamento e que portanto responde pelo "serviço" pesado desta fonte de alimentação. Normalmente, nos computadores e mesmo em outros tipos de aparelhos de maior consumo é este o componente que mais sofre panes, justamente por trabalhar numa condição limite.
O circuito integrado contém um oscilador cujo ciclo ativo é determinado pelo sinal de realimentação, ou seja, o sinal que vem da saída e que portanto traz a informação se o circuito alimentado precisa ou não de um ciclo ativo maior para compensar seu consumo.
CUIDADOS COM AS FONTES DO PC
Uma fonte de um PC opera com tensões de 5 e 12 V que são obtidas por configurações como as que vimos.
As correntes são muito elevadas, ultrapassando os 20 ampères em alguns casos. Isso significa que mesmo tendo a operação chaveada, uma boa quantidade de calor é gerada e este calor precisa ser eliminado.
Os componentes que geram mais calor são montados em bons radiadores de calor, mas mesmo assim, a sua ação de maneira espontânea, eliminando o calor por irradiação e convecção não é suficiente para se obter a refrigeração necessária, conforme mostra a figura 9.
A refrigeração de uma fonte deve ser forçada.
Estas fontes são dotadas de um sistema de refrigeração forçada, ou seja, um pequeno ventilador que aspira o ar quente do interior da fonte e consequentemente do computador jogando-o para o exterior.
Este ventilador é extremamente importante na sua fonte, pois se ele parar a fonte aquece até ultrapassar os limites tolerados pelos componentes e a queima é inevitável. Se você notar que seu computador não faz o barulho característico do motor da fonte ao funcionar, desligue-o imediatamente e verifique o que está acontecendo.
O dimensionamento de uma fonte para um PC é muito importante, pois se o circuito alimentado exigir uma corrente maior do que aquela que a fonte fornece a sobrecarga e queima são inevitáveis.
É fácil saber quanto a fonte deve fornecer ao circuito e quanto ela pode fornecer, pois estas grandezas num caso são indicadas e em outros podem ser avaliadas, senão vejamos.
Um computador precisa de tensões de 5 e 12 V com polaridade positiva e negativa, sob correntes que superam 20A em alguns casos.
A potência elétrica exigida pode então superar os 300 watts, o que evidentemente deve ser fornecido pela fonte.
Quando alimentamos um dispositivo como um aquecedor ou uma lâmpada, este dispositivo apresenta características puramente resistivas, ou seja, a corrente é causada pela tensão e a acompanha em cada instante. Assim, a corrente está em fase com a tensão conforme mostra a figura 10, e a potência máxima ocorre quando a tensão é máxima, pois o produto dessas duas grandezas atinge o maior valor.
Numa carga indutiva/capacitiva o produto tensão x corrente médios, não é potência consumida em watts.
No entanto, os computadores possuem fontes que apresentam características que não são resistivas. Na realidade, a presença do transformador na fonte faz com que eles sejam algo indutivos.
Isso significa que em cada instante existe uma defasagem entre a corrente e a tensão aplicada, conforme mostra a figura 11. Esta defasagem será tanto maior quanto mais "indutivo" for o dispositivo.
É interessante observar que se a defasagem for de 180 graus para uma indutância pura não teremos corrente com a tensão máxima e vice-versa. Como os medidores de energia das empresas fornecedoras operam em função da corrente e da tensão, um dispositivo totalmente indutivo "não gasta energia", ou melhor não a tem registrada. Para que os motores, que são fortemente indutivos não venham a causar prejuízos às empresas fornecedoras consumindo energia sem que ela seja registrada, devem ser empregados capacitores, que compensam a indutância apresentada de modo que eles tendam a ser "menos indutivos".
A defasagem corrente x tensão de um motor é corrigida por meio de um capacitor.
A corrente máxima num dispositivo com as características indicadas não acontece quando a tensão é máxima e vice-versa. Isso significa então que a potência máxima não é dada pelo produto da tensão máxima pela corrente máxima.
Em outras palavras, os watts exigidos não correspondem ao produto dos volts máximos pelos ampères máximos.
Assim, em lugar de especificar a potência de uma fonte de um computador em termos de watts é muito mais correto dar a indicação da sua potência em termos de Volts x Ampères ou VA.
O consumo típico de um computador com uma RAM de 4 megabytes e uma unidade de disco rígido além de dois drivers para disquetes é da ordem de 150 watts.
Se o computador tiver placas de expansão, e de interfaceamento externo, o consumo vai aumentando. Assim, sempre que acrescentar alguma placa a um computador é importante verificar se o acréscimo de consumo de energia representado por esta placa pode ser suportado pela fonte.
Evidentemente, quando em funcionamento um computador consome menos que o máximo que sua fonte pode dar, por medida de segurança.
Assim, levando em conta o fator de potência (VA versus W) e também uma certa tolerância quanto ao consumo, uma fonte que dê pelo menos o dobro dos watts que você precisa é o que se pode esperar para um computador livre de problemas neste setor.
As fontes dos PCs são padronizadas quanto às dimensões físicas.
Na figura 12 temos o aspecto típico de uma fonte medindo 11 x 13 x 21 cm.
Observe que a fonte é fixada por apenas 4 parafusos e que existem mais dois que serem para fixar a tampa do gabinete.
Nesta fonte encontramos os conectores para a alimentação da própria fonte e também para ligação de periféricos como o monitor de vídeo.
SISTEMA DE PROTEÇÃO
Um ponto crítico de qualquer equipamento eletrônico sensível alimentado a partir da rede de energia é que ela não nos fornece eletricidade de uma maneira que possa ser considerada tão pura como esperamos.
A tensão alternada da rede deve ser suavemente ondulada, segundo uma senóide que tenha um valor médio de 110 V ou 220 V (na realidade 117 V, se bem que estejamos acostumados a falar em 110 V).
No entanto, a comutação de cargas indutivas como motores nas vizinhanças, descargas atmosféricas e outros fenômenos geram transientes, ou seja, surtos de tensão de curta duração que no entanto podem alcançar milhares de volts.
Se estes surtos alcançarem os componentes mais sensíveis de seu computador, era uma vez!
Além disso, a própria tensão da rede de energia varia sensivelmente conforme a hora do dia, e mesmo o ponto da instalação elétrica de sua casa em que você a mede e até mesmo a posição de sua casa numa rua.
A tensão na rede varia conforme a posição considerada.
A manutenção da tensão é importante em muitos casos, se bem que as fontes de muitos computadores sejam dotados de recursos que as ajustem a uma ampla gama de tensões de entrada. Assim, é comum termos computadores que automaticamente comutam seus circuitos quando são ligados em 110 V ou 220 V, não havendo necessidade daquela tão temida chavinha que, se esquecida na posição errada significava uma catástrofe!
E, mesmo selecionados para uma das duas tensões, o computador ainda assim funcionará bem com tensões de entrada variando entre 90 e 140 Volts, sem problemas.
O mais perigoso para a integridade do computador são os transientes.
O modo mais comum de se fazer a proteção de um computador é por meio de protetores com base em varistores de Óxido de Zinco.
Estes componentes que têm o aspecto mostrado na figura 14 possuem uma característica elétrica importante.
Varistor usado na proteção contra transientes.
As pequenas partículas de óxido de zinco que formam o componente estão num contacto crítico umas com as outras. Isso faz com que a corrente não possa passar pelo componente até que uma determinada tensão seja alcançada. Assim, abaixo dessa tensão, o componente é um isolante, mas quando esta tensão denominada "tensão de sujeição" é alcançada ele tornar-se condutor.
Ligando em paralelo este componente com a rede de energia, como ocorre num protetor comum, como o da figura 15, ele será isolante até o instante em que um transiente de alta tensão o alcançar.
Um protetor contra transientes.
Neste momento ele conduz curto-circuitando o cabo de entrada e assim evitando que a alta tensão desse transiente chegue ao circuito sensível.
A energia que corresponde à condução de uma forte corrente pela fração de segundo que ocorre o transiente é absorvida pelo varistor e transformada em calor.
Um varistor tem a capacidade de absorver muitos pulsos de transientes, mas tem uma vida limitada. Além disso, os varistores têm um limite para a energia que pode absorver o que significa que, diante de um transiente muito forte, ele pode ser destruído.
Para a rede de 110 V varistores de 200 V são os mais comuns, já que na rede de 110 V (117 V), os picos de tensão (que são normais) chegam a mais de 150 V.
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