Como as fontes de alimentação funcionam.

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.

Fonte chaveada

Uma fonte chaveada ou comutada (em língua inglesa switched-mode power supply (SMPS)), é uma unidade de fonte de alimentação eletrônica que incorpora um regulador chaveado, ou seja, um circuito controlador interno que chaveia (comuta) a corrente, ligando e desligando rapidamente, de forma a manter uma tensão de saída estabilizada. Reguladores chaveados são utilizados para substituição de reguladores lineares mais simples, quando uma eficiência maior, menor tamanho e maior leveza são requiridos. Eles, entretanto, são mais complexos e mais caros, e o chaveamento da corrente pode causar problemas de ruído (tanto eletromagnético quanto sonoro) se não forem cuidadosamente suprimidos, e projetos simples podem ter baixo fator de potência.

Vista interna de uma Fonte Chaveada ATX comum em computadores. A - retificador em ponte B - capacitores de filtro de entrada C - transformador D - indutores de filtro de saída E - capacitores de filtro de saída

As fontes chaveadas podem ser classificadas de acordo com a forma de onda da tensão de entrada e de saída conforme segue:

• Entrada CA, saída CC: retificador
• Entrada CC, saída CC: conversor de tensão, ou conversor de corrente ou conversor CC/CC
• Entrada CA, saída CA: Conversor de freqüência, cicloconversor
• Entrada CC, saída CA: inversor

Sendo que CA e CC correspondem, respectivamente, às abreviações de corrente alternada e corrente contínua.

Fonte chaveada comparada com fonte linear

Duas principais fontes de alimentação são disponíveis: fonte chaveada e a fonte linear. As razões para a escolha de um tipo ou outra pode ser resumida como segue abaixo:

• Tamanho e peso. Fontes de alimentação linear utilizam um transformador operando na freqüência de 50/60 Hz e filtros de linha. Esses componentes são maiores e mais pesados que os correspondentes ao de uma fonte chaveada, que opera em alta freqüências.
• Eficiência. Fontes lineares regulam sua tensão de saída criando uma tensão mais alta que a necessária e então reduzindo-a, convertendo parte dessa energia elétrica em calor. Essa perda é numa parte necessária para o funcionamento do circuito e não pode ser eliminada para melhoria do projeto. Fontes chaveadas não criam tensões maiores que a necessária e apenas pequenas quantidades de energia são dissipadas.
• Potência dissipada. Esta é determinada pela eficiência supracitada. Fontes lineares produzem muito mais calor do que as chaveadas.
• Complexidade. Fontes lineares são simples o suficiente para serem projetadas por iniciantes. Fontes chaveadas são complicadas, difícil de projetá-las, e o grande número de componentes faz com que seja mais cara para montá-la e para repará-la.
• Ruído. Existe o chaveamento da corrente em fontes chaveadas que contêm energia em altas freqüências ao contrário das fontes lineares. Isto é devido ao seu oscilador interno operando em torno de 60 kHz. Essa energia em alta freqüência, na faixa de RF (rádio freqüência), facilmente irradia indução eletromagnética aos equipamentos próximos, ou como as ondas de rádio em longas distâncias, causam interferência. Por isso, deve-se tomar cuidado para eliminar essa energia na fonte através de filtros e um bom projeto eletrônico, e/ou contê-las através de blindagem.Existe também o problema do ruído sonoro, já que por questões de tamanho fontes chaveadas costumam usar ventoinhas e ventiladores para resfriar os dissipadores de calor, que seriam bem maiores se assim não o fossem ( obs: um outro tipo de ruído é o som do chaveamento de alta frequência da fonte, fora da faixa audível humana, e que normalmente não incomoda).
• Fator de potência. Se a corrente utilizada por uma carga, tal como uma fonte chaveada, retirada de uma fonte CA não for senoidal e/ou fora de fase com forma de onda da rede, então o fator de potência será menor que o unitário, diminuindo a eficiência e a capacidade da linha de transmissão consideravelmente. As mais simples e mais comuns fontes chaveadas possuem fator de potência em torno de 0,6 , e seu uso crescente em microcomputadores e lâmpadas fluorescentes compactas apresenta um problema em ascensão (seu uso também esta presente em todos os aparelhos de televisão dos últimos quinze anos e nos novos aparelhos de Lcd). Os circuitos de correção de fator de potência podem reduzir este problema, sendo obrigados por normas em certos países.
• Risco de choque elétrico. Uma fonte chaveada simples trabalha em seus circuitos de entrada diretamente ligada a rede elétrica sem isolação, diferente de uma fonte linear que usa fusíveis e fios isolados antes do transformador, com menor risco de choque. Por isso o perigo para quem repara ou eventuais curiosos que retiram a tampa das fontes. Choques, mesmos pequenos, podem ser perigosos a vida. Observe que alguns tipos de fontes chaveada mantém a carga em seus capacitores, mesmo depois de desligadas da rede elétrica, ou seja; você pode levar um choque carregando uma placa dessas sem a tampa na mão, algo que gira em torno de 300 volts!:)