Como as fontes de alimentação funcionam

Publicado em 23/07/2009 – 15:53
por Carlos Morimoto

Você pode imaginar a corrente alternada da tomada como uma onda, que oscila 60 vezes por segundo, onde a energia é transmitida através de pulsos, em oposição à corrente contínua usada por circuitos eletrônicos. O uso de corrente alternada reduz brutalmente a perda durante a transmissão a longas distâncias, o que a torna ideal para uso na rede pública.

Aparelhos domésticos como ventiladores, geladeiras e aquecedores trabalham muito bem com corrente alternada, mas aparelhos eletrônicos em geral precisam que ela seja transformada em corrente contínua, o que nos leva à fonte de alimentação.

A função básica da fonte de alimentação (ou PSU, de "power supply unit") é transformar a corrente alternada da rede elétrica em corrente contínua, filtrar e estabilizar a corrente e gerar as tensões de 3.3V, 5V e 12V fornecidas aos demais componentes.

Tudo começa com um estágio de filtragem. Ele tem duas funções: "filtrar" a energia que vem da tomada, removendo ruído e atenuando picos de tensão e ao mesmo tempo evitar que o ruído gerado por componentes da fonte (em especial os transístores que fazem o chaveamento) chegue à rede elétrica, interferindo com outros aparelhos.

Nas boas fontes ele é tipicamente dividido em dois sub-estágios, com parte dos componentes soldados a uma pequena placa de circuito presa ao conector de força e os demais instalados na placa principal, próximos aos pontos de solda dos dois cabos de energia provenientes do primeiro sub-estágio:

Os componentes do filtro incluem tipicamente duas bobinas (L1 e L2), um varístor (encarregado de absorver picos de tensão), que nessa foto está escondido entre a bobina da direita e os fios de energia, um ou dois capacitores X (que usam um encapsulamento retangular, amarelo) e um par de capacitores Y (eles são azuis, parecidos com os varistores dos filtros de linha).

Embora importante, é comum que o estágio de filtragem seja simplificado nas fontes de baixa qualidade, o que é um risco. Nesse caso, é comum que a placa conserve espaços vazios ou sejam usadas pontes (pedaços de fio usados para fechar contato) no lugar de vários dos componentes.

Depois do filtro, chegamos aos circuitos de conversão, que se encarregam do trabalho pesado. Eles são divididos em dois estágios, que são convenientemente chamados de primário e secundário. Cada um deles ocupa uma das metades da fonte, separados pelo transformador principal (a grande bobina amarela), que quase sempre fica bem no meio da fonte.

O estágio primário fica do lado esquerdo, que inclui o capacitor primário, os transístores de chaveamento e um ou dois dos dissipadores, enquanto o secundário domina o lado direito, de onde saem os fios de alimentação:

Em geral, as fontes incluem apenas dois dissipadores, um para cada um dos dois estágios. Essa CX400W das fotos usa um dissipador separado (à esquerda) para o circuito de PFC, por isso ela tem três no total.

Continuando, o estágio primário inclui também a ponte retificadora (o componente maior, preso a um dos dissipadores), um circuito de filtragem e o circuito chaveador. A função deles é retificar e aumentar a frequência da corrente, gerando uma corrente de alta frequência (acima de 100 kHz, contra os 60 Hz da tomada), com ondas quadradas, que é então enviada ao transformador.

A ideia é reduzir o intervalo entre os ciclos, o que reduz o trabalha necessário para transformá-la em corrente contínua, eliminando a necessidade de usar grandes transformadores, como em fontes antigas. Isso faz com que as fontes chaveadas sejam não apenas muito mais leves e baratas do que as antigas fontes lineares, mas também bem mais eficientes. Hoje em dia, até mesmo as fontes de celulares são fontes chaveadas.

A ponte retificadora, juntamente com os transístores de chaveamento (MOSFETs) inevitavelmente transformam uma boa parte da energia em calor, justamente por isso são presos a um dos dissipadores metálicos. Quando falamos em "transístores" vem à mente a imagem dos transístores minúsculos que formam os processadores, mas a necessidade de lidar com cargas elevadas faz com que os MOSFETs sejam bem maiores:

Em seguida temos o transformador, que tem a função de reduzir a tensão, produzindo uma corrente de 12V (ainda alternada e de alta frequência), que é enviada ao estágio secundário. Como pode imaginar, ele tem a função de "terminar o serviço", convertendo a corrente alternada de alta frequência fornecida pelo transformador em corrente contínua, utilizando um segundo conjunto de circuitos de retificação e um novo circuito de filtragem, que inclui as bobinas e os vários pequenos capacitores:

Assim como no caso dos transístores do estágio primário, os MOSFETs e retificadores usados no secundário dissipam bastante calor, por isso são conectados a mais um dissipador.

A maioria das fontes usam também um segundo transformador (bem menor), que é usado para gerar as tensões de 5V e 3.3V da fonte, mas alguns projetos utilizam conversores DC-DC para gerá-las a partir da saída do transformador principal, simplificando o projeto.

Fontes antigas usam três transformadores em vez de dois. Este terceiro transformador é usado para isolar eletricamente o controlador PWM. Nas fontes mais atuais ele é substituído por três optoacopladores (um tipo de circuito integrado simples, que inclui um LED e um fototransistor), que desempenham a mesma função, mas de maneira mais eficiente.

Temos aqui uma fonte genérica antiga, que usa o layout com três transformadores. Você pode notar que ela usa bem menos componentes, com transformadores, bobinas e capacitores bem menores, que acompanham a baixa capacidade de fornecimento:

O controlador PWM é um pequeno chip encarregado de monitorar as tensões de saída da fonte e ajustar a frequência do circuito chaveador para compensar qualquer variação. Nas fontes atuais é comum que seja usado um único chip, combinando as funções de controlador PWM e circuito de PFC:

É bastante comum que os fabricantes usem as características dos capacitores como ferramenta de marketing, anunciando que a fonte usa "capacitores japoneses" ou "capacitores de classe industrial". Naturalmente, é bem melhor que a fonte use capacitores da Hitachi do que de algum fabricante chinês desconhecido, ou que eles sejam certificados para trabalharem a até 105°C em vez de 85°C, por exemplo, mas essa é uma característica que não deve ser levada ao pé da letra.

Os dissipadores também não são necessariamente um indício da qualidade da fonte, já que eles são dimensionados de acordo com a capacidade, eficiência e a potência do exaustor. Uma fonte pode possuir dissipadores grandes e pesados simplesmente por ter um baixo nível de eficiência (e consequentemente dissipar mais calor) ou usar dissipadores modestos por que o fabricante conseguiu desenvolver uma fonte mais eficiente (menos calor para dissipar), ou optou por aumentar a velocidade de rotação do exaustor (mais barulho).

Muitas das etapas de produção da fonte são feitas manualmente, por isso é muito comum encontrar braçadeiras, soldas manuais e até mesmo componentes presos com cola quente, mesmo nas fontes de boa qualidade. É justamente por isso que a grande maioria das fontes são produzidas em países da ásia, onde a mão de obra é mais barata (assim como no caso dos processadores e quase todos os demais produtos eletrônicos).

Construir uma fonte de alimentação é relativamente simples (muito mais do que produzir um processador ou uma GPU, por exemplo) e a tecnologia é bem conhecida e bem documentada. O grande problema é que fontes de qualidade são caras de se construir, o que obriga os fabricantes a fazerem opções com relação à capacidade e à qualidade dos componentes usados, ao mesmo tempo em que tentam diferenciar seus produtos dos oferecidos pelos concorrentes. Isso faz com que as fontes sejam a classe de periféricos onde mais existe variação de qualidade e de preço.