Entendendo os nobreaks

Publicado em 24/07/2009 – 16:54
por Carlos Morimoto

A função básica de qualquer nobreak é manter o PC funcionando em caso de falta de energia, permitindo que você tenha algum tempo para terminar o que está fazendo e evitando perda de dados.

Existem vários tipos de nobreaks. Os mais comuns no mercado são os offline e os line-interactive. Existem alguns nobreaks online, geralmente modelos bem mais caros, destinados a uso industrial ou em data-centers, além dos line-boost, que incorporam uma espécie de estabilizador interno.

Entre os quatro tipos, os nobreaks online (também chamados de "duble-conversion", ou conversão dupla) são os mais seguros. Neles, as baterias são carregadas de forma contínua e o inversor fica constantemente ligado, retirando energia das baterias e fornecendo aos equipamentos. Este layout faz com que os equipamentos fiquem realmente isolados da rede elétrica, com os circuitos de entrada e as baterias absorvendo todas as variações. O problema é que os nobreaks online são muito caros e, por isso, pouco comuns, reservados a servidores e aplicações industriais.

Além da questão do preço, os nobreaks online possuem uma baixa eficiência energética, devido à dupla conversão realizada. A maioria dos modelos trabalham com 70 a 80% de eficiência, o que significa que para cada 800 watts consumidos pelos equipamentos, o nobreak desperdiça pelo menos mais 200 na forma de calor. Por causa disso, os nobreaks online são quase sempre relativamente grandes (os modelos de 2000 VA são geralmente do tamanho de um PC) e utilizam exaustores para dissipar o calor. Veja que devido ao grande aumento no consumo, o custo real de manter um nobreak online (incluído o gasto com eletricidade) acaba indo muito além do custo inicial do equipamento.

Para melhorar a eficiência, muitos fabricantes utilizam layouts híbridos (chamados geralmente de "double conversion on demand"), onde um circuito monitora a corrente da tomada e chaveia rapidamente para o modo de operação online apenas quando ela apresenta variações ou um nível de ruído acima de um valor estipulado. Este modo de operação é muito comum em nobreaks para servidores, já que oferece um bom nível de proteção e desperdiça menos energia.

Em seguida temos os nobreaks offline (ou standby), que são a alternativa mais antiga e barata aos online. Neles, a corrente elétrica é filtrada e entregue diretamente aos equipamentos, como faria um filtro de linha (ou um estabilizador, caso o fabricante resolva incluir também o seletor de tensão).

Paralelamente, temos as baterias e o inversor, que assume rapidamente em caso de queda na rede. O circuito responsável pelo chaveamento demora alguns milésimos de segundo (a maioria dos modelos atuais trabalham na faixa dos 2 a 5 ms, mas alguns chegam a demorar 8 ms ou mais) para perceber a queda na rede e acionar o inversor, por isso existe uma breve interrupção no fornecimento aos equipamentos, que acaba passando despercebida graças aos circuitos da fonte de alimentação.

Os seguintes na lista são modelos line-interactive, que são uma evolução dos offline. Neles, o inversor também assume apenas quando existe falha na rede elétrica; a diferença é que o inversor fica ligado continuamente e um circuito de monitoramento se encarrega de monitorar a tensão e usar energia do inversor em caso de queda na tensão.

Caso ocorra um brownout e a tensão caia em 10%, por exemplo, o circuito repõe os mesmos 10% usando energia do inversor, de forma que os aparelhos recebem sempre uma tensão de 115V. Os nobreaks line-interactive utilizam as baterias de uma forma muito mais ágil que os offline e são mais confiáveis. O problema é que eles também desperdiçam mais energia, já que o inversor precisa ficar continuamente acionado.

Atualmente, existe uma quarta categoria, que são os nobreaks line-boost, que são uma versão popular dos line-interactive. Em vez de manterem o inversor continuamente ativo, a postos para compensar variações na rede elétrica, eles utilizam um transformador auxiliar, que aumenta a tensão em um valor fixo (geralmente 12%) quando usado. Se a tensão cai de 127V para 106V, por exemplo, o transformador entra em cena, aumentando a tensão em 12%, atenuando a redução e fazendo com que os equipamentos recebam 119V. A função desse sistema é evitar que o nobreak precise chavear para as baterias durante brownouts, preservando a carga para quando elas forem realmente necessárias.

Caso a tensão caia abaixo de um certo limite, o inversor é acionado e finalmente passam a ser usadas as baterias. Muitos modelos utilizam transformadores com vários estágios (2, 3, ou até mesmo 4), oferecendo atenuações bem mais suaves.

A tecnologia line-boost é muito mais barata que a line-interactive, por isso os fabricantes passaram a usá-la na maioria dos modelos. Embora eles também sejam chamados de "line-interactive", "interativo" ou até mesmo de "nobreak com regulação online" (note o jogo de palavras, com o uso da palavra "regulação" combinada com o termo "online" para dar a entender de que se trata de um nobreak online), eles são diferentes dos online ou line-interactive "de verdade".

Atualmente, quase todos os modelos de nobreaks baratos, destinados ao mercado doméstico, são line-boost ou offline. O uso de microprocessadores e melhorias nos projetos fizeram com que eles se tornassem bem mais confiáveis que os modelos antigos, reduzindo muito a diferença na prática.

O acionamento do inversor se tornou mais rápido (menos de 1 ms em alguns modelos, o que é bem pouco, considerando que rede elétrica no Brasil trabalha a uma frequência de 60 Hz, o que corresponde a 16.6 ms por ciclo) e o uso de capacitores e outros circuitos reduzem o tempo de queda na energia a quase zero.
A eficiência também melhorou bastante. Muitos modelos atuais trabalham com 95% de eficiência (ou seja, para cada 300 watts de carga, o nobreak desperdiça apenas 16). Isso faz com que hoje em dia a escolha sobre qual nobreak comprar recaia mais sobre a marca, modelo e qualidade geral e não sobre a tecnologia usada.

Embora qualquer bom nobreak inclua também um conjunto básico de componentes de proteção, ele não é mais eficiente na tarefa de proteger o PC do que um bom filtro de linha ou DPS. A função primária do nobreak não é proteger o PC, mas sim servir como uma bateria de backup, mantendo o PC ligado por algum tempo durante as quedas de luz, para que você tenha chance de salvar seus trabalhos. Se você mora em uma região onde as quedas são frequentes, ou se o PC é usado para trabalhos importantes, então o nobreak é um acessório mais do que recomendável; caso contrário, você pode perfeitamente passar sem ele.

Mais recentemente, tivemos o aparecimento de alguns modelos de nobreaks de baixo custo, com capacidades a partir de 300 VA, que combinam as funções de filtro de linha, com uma pequena bateria de backup, que oferece uma autonomia de poucos minutos. Eles estão na base da base da pirâmide, mas são baratos e por isso não são de todo ruins se você souber lidar com as limitações.

Um bom exemplo é o APC BE350G-LM, que tem uma capacidade de 350 VA (suficiente para um PC de baixo consumo e um LCD de 17", sem muitos periféricos adicionais), com uma bateria de apenas 3 Ah (12V), que é suficiente para apenas 5 minutos com 100 watts de carga.

Ele é um nobreak offline típico, que não tenta estabilizar a tensão de saída. Embora o tempo de chaveamento seja longo e a capacidade muito baixa, ele tem uma pequena vantagem, que é o fato de desperdiçar pouca energia. Isso faz com que (considerando o preço baixo) ele não seja uma opção ruim para quem quer apenas um filtro de linha com uma bateria de backup para evitar que o micro desligue com qualquer piscada de luz:

Formato de saída de onda: Outra característica importante é o formato de saída de onda do inversor. Quando o nobreak usa as baterias, o inversor precisa transformar a corrente contínua das baterias em corrente alternada. Basicamente, a corrente contínua é uma linha reta e constante, enquanto a corrente alternada é uma onda analógica que oscila 60 vezes por segundo (60 Hz).

Os nobreaks mais baratos ou antigos utilizam inversores que geram ondas quadradas (procure referências a "square wave" nas especificações), onde a tensão varia de forma abrupta. Eles são um pouco perigosos, pois podem danificar aparelhos sensíveis ou até mesmo a própria fonte de alimentação do micro se as quedas de energia (e consequentemente o uso do inversor) forem frequentes.

Os modelos baratos mais recentes utilizam ondas senoidais por aproximação (nas especificações você encontrará termos como "pseudo-sine wave", "modified square wave", "near sine wave" ou "stepped sine wave"), que são um meio termo, onde as variações são feitas em intervalos maiores (evitando as variações súbitas das ondas quadradas), oferecendo algo mais próximo a uma onda analógica.
Finalmente, temos os modelos mais caros, que geram ondas senoidais "puras" ("sine wave" ou "pure sine wave"), ou seja, virtualmente idênticas às fornecidas pela rede elétrica. Estes são naturalmente os melhores dentro do quesito.

Note que não existe uma relação direta entre a tecnologia usada (offline, online, etc.) e o formato de onda usado pelo inversor. Entretanto, como os inversores que geram ondas senoidais são mais caros, eles acabam sendo usados apenas nos modelos premium, que naturalmente utilizam tecnologias melhores. Você nunca encontraria um nobreak online para uso industrial com um inversor barato gerando ondas quadradas.

Nobreaks e estabilizadores: Uma observação é que você nunca deve usar um estabilizador entre o nobreak e o PC, pois os estabilizadores são feitos para receberem ondas senoidais. Ao receber as ondas quadradas geradas por um nobreak barato, o estabilizador vai aquecer e desperdiçar energia tentando retificar as ondas. Em casos mais extremos, ele pode até mesmo queimar e/ou danificar os equipamentos ligados a ele. Este é mais um motivo para substituir os estabilizadores por filtros de linha, já que o filtro não tem problema algum em trabalhar em conjunto com o nobreak.

É até possível usar um estabilizador em conjunto com um nobreak, desde que o estabilizador fique entre o nobreak e a tomada, e não o contrário. As duas grandes desvantagens de fazer isso é que você aumenta o desperdício de energia, (já que são somadas as perdas causadas pelo nobreak e as causadas pelo estabilizador, o que pode representar um aumento perceptível no consumo geral do equipamento) e que o nobreak passa a ser acoçado pelos picos e variações de tensão introduzidas pelo estabilizador, o que não é muito saudável.

Além disso, antes de ligar o nobreak no estabilizador, é importante checar as capacidades de fornecimento. Para usar um nobreak de 600 VA, seria necessário usar um estabilizador de 800 VA ou mais. Esta margem de segurança é necessária por dois fatores: o primeiro é que a eficiência do nobreak gira em torno de 90 a 95%, o que significa que ao fornecer 600 VA para o micro, ele vai consumir 630 ou 660 VA no total. O segundo fator é que o nobreak precisa recarregar a bateria depois que ela é usada, o que aumenta seu consumo em 15% ou mais. Se a capacidade do estabilizador for igual ou menor que a do nobreak, ele vai acabar desligando ou explodindo ao exceder a capacidade.

Devido a tudo isso, o uso de estabilizadores, módulos isoladores ou qualquer outro tipo de dispositivo ativo em conjunto com o nobreak não é recomendável. Se a ideia é proteger o nobreak, o correto é utilizar um bom filtro de linha ou DPS, que é um dispositivo passivo.

Presente de grego: Uma última observação sobre os nobreaks, esta mais uma curiosidade, é que boa parte do trabalho do nobreak consiste em transformar os 12V CC da bateria nos 115V AC que são fornecidos aos equipamentos. Este seria apenas um detalhe técnico, não fosse o fato de que a fonte de alimentação faz exatamente o trabalho inverso, convertendo de volta os 115V AC nos 12V CC que são fornecidos aos componentes!

Como pode imaginar, essa dupla conversão faz com que uma grande parte da energia das baterias seja desperdiçada, transformada em calor e não em trabalho útil. Seria bem mais eficiente se as próprias fontes de alimentação incorporassem baterias de backup (você poderia imaginar uma bateria de nobreak de 7.2 Ah incorporada diretamente à fonte, ou ligada a ela através de um cabo externo) eliminando a necessidade de usar o nobreak.

Como os 12V da bateria correspondem aos mesmos 12V que são fornecidos pelo transformador de saída (no secundário da fonte), seriam necessários poucos circuitos adicionais para monitorar a tensão da tomada e chavear para a bateria em caso de queda. Infelizmente nenhum fabricante ainda teve essa ideia, talvez esta seja uma boa oportunidade de ficar rico… :)