Funcionamento das Fontes de Alimentação

Introdução

A fonte de alimentação é o dispositivo responsável por fornecer energia elétrica aos componentes de um computador.

A fonte de alimentação talvez seja o componente mais negligenciado do computador. Normalmente na hora de comprar um computador, só levamos em consideração o tipo e o clock do processador, o modelo da placa-mãe, o modelo da placa de vídeo, a quantidade de memória instalada, a capacidade de armazenamento do disco rígido, e esquecemo-nos da fonte de alimentação, que na verdade é quem fornece o “combustível” para que as peças de um computador funcionem corretamente.

A fonte de alimentação é um dispositivo que tem a mesma função que uma bateria. A diferença é que a energia elétrica não fica armazenada em células de voltagem (como ocorre com pilhas e baterias), e sim, é extraída da rede elétrica. Muitos aparelhos são alimentados diretamente a partir da rede elétrica, como é o caso de lâmpadas e motores. A voltagem da rede elétrica não é adequada para aparelhos eletrônicos, portanto esses aparelhos possuem fontes de alimentação. São circuitos que convertem a tensão da rede elétrica (110 volts em corrente alternada) para tensões adequadas ao seu funcionamento (em geral inferiores a 20 volts, em corrente contínua). Poderíamos dizer então que a principal função da fonte de alimentação é converter a tensão alternada fornecida pela rede elétrica presente na tomada de sua casa ou escritório (também chamada CA ou AC) em tensão contínua (também chamada CC ou DC). Em outras palavras, a fonte de alimentação converte os 110 V ou 220 V alternados da rede elétrica convencional para as tensões contínuas utilizadas pelos componentes eletrônicos do computador, que são: +3,3 V, +5 V, +12 V e -12 V (tensões alternadas variam pelo mundo e mesmo no Brasil variam de cidade a cidade.

Funcionamento

As saídas de +3,3, +5 e +12 são de alta corrente. As duas restantes são de baixa corrente, praticamente não existem placas que as utilizam. Podemos citar como exemplo, as placas de som, que operam com sinais analógicos que assumem valores positivos e negativos, por isso normalmente usam as fontes de +12 e -12 volts, normalmente. As interfaces seriais também precisam operar com +12 e -12 volts, que são as voltagens que representam os bits zero e um neste tipo de interface. Fora esses dois casos, é difícil lembrar de outra interface que use as tensões de -5 e -12.

Toda fonte de alimentação oferece voltagens que variam discretamente dentro de uma pequena faixa de tolerância. Uma boa fonte de alimentação deve apresentar variações de no máximo 5% nas saídas de +5 volts e +3,3 volts. A saída de +12 volts admite uma variação um pouco maior: 10%. Já as saídas de -5 e -12 volts também toleram 10% de variação, mas como raramente são utilizadas, variações maiores nessas saídas não chegam a comprometer o funcionamento do computador.

Existem dois tipos básicos de fonte de alimentação: linear e chaveada.

As fontes de alimentação lineares pegam os 110 V ou 220 V da rede elétrica e, com ajuda de um transformador, reduzem esta tensão para, por exemplo, 12 V. Esta tensão reduzida, que ainda é alternada, passa então por um circuito de retificação (composto por uma série de diodos), transformando esta tensão alternada em tensão pulsante. O próximo passo é a filtragem, que é feito por um capacitor eletrolítico que transforma esta tensão pulsante em quase contínua. Como a tensão contínua obtida após o capacitor oscila um pouco (esta oscilação é chamada “ripple”), um estágio de regulação de tensão é necessário, feito por um diodo zener (normalmente com a ajuda de um transistor de potência) ou por um circuito integrado regulador de tensão. Após este estágio a saída é realmente contínua.

2 - Tensão contínua e tensão alternada (Clique na imagem para expandir)

Uma fonte de alimentação recebe corrente alternada a partir da rede elétrica, com freqüência de 60 Hz e voltagem que pode ser de 110 ou 220 volts. Inicialmente esta tensão é reduzida para um valor menor, através de um transformador. Temos então corrente alternada, mas com um valor menor. A seguir é feita uma retificação, que consiste em fazer a corrente trafegar sempre no mesmo sentido. O próximo passo é a filtragem, e finalmente a regulação. A figura 3 mostra as etapas da geração de tensão contínua em uma fonte.

3 - Geração de tensão contínua em uma fonte (Clique na imagem para expandir)

Em fontes de alimentação chaveadas em alta freqüência a tensão de entrada tem sua freqüência aumentada antes de ir para o transformador (tipicamente na faixa de kHz). Com a freqüência da tensão de entrada aumentada, o transformador e os capacitores eletrolíticos podem ser bem menores. Este é o tipo de fonte de alimentação usada nos PCs e em muitos outros equipamentos eletrônicos, como aparelho de DVD. Tenha em mente que “chaveada” é uma forma reduzida de se falar “chaveamento em alta freqüência”, não tendo nada a ver se a fonte tem ou não uma chave liga/desliga.

A maioria das fontes de alimentação tem uma chave 110 V/220 V ou então pode ser do tipo “automática”, “bivolt” ou “auto range”, o que significa que a fonte pode funcionar em qualquer tensão CA (normalmente entre 100 V e 240 V; a faixa de operação suportada está impressa na etiqueta da fonte de alimentação em um campo chamado “AC Input” ou “Entrada CA”, como você pode ver na Figura 3) e por essa razão fontes com seleção automática de tensão não têm uma chave 110 V/220 V. Normalmente os fabricantes fazem a seleção automática de tensão através do circuito PFC ativo. Portanto todas as fontes de alimentação com PFC ativo são do tipo “bivolt” e não têm uma chave 110 V/220 V. Apenas raríssimas fontes com seletor automático de tensão não terão PFC ativo.

Operação de uma fonte chaveada: Inicialmente a tensão da rede elétrica é retificada e filtrada. Não existe dificuldade técnica na retificação de tensões elevadas. Quanto à filtragem, podem ser usados capacitores de menor valor, pois a corrente é mais baixa, apesar da tensão ser elevada. O resultado é uma tensão contínua de valor elevado. Esta tensão passa por um transistor de chaveamento que a transforma em uma onda quadrada de alta freqüência, entre 100 e 200 kHz. Este transistor opera como uma chave elétrica que abre e fecha o circuito para a passagem de corrente, em alta velocidade. Esta onda quadrada passa por um transformador e tem sua tensão reduzida, porém com valor de corrente maior. Este transformador pode ser pequeno, já que opera com freqüência muito mais elevada, e quanto maior é a freqüência, maior é a facilidade que um transformador tem para fazer o seu trabalho.Temos então uma corrente alternada, mas com amplitude menor e freqüência maior. Esta corrente é retificada e filtrada, desta vez usando capacitores de menor tamanho, já que a filtragem também é facilitada pela freqüência elevada. Finalmente temos a etapa de regulação, na qual imperfeições são eliminadas, resultando em um valor constante na saída. Uma fonte de alimentação usada em um PC possui várias seções para a geração dos diversos valores de voltagem.

4 - Fonte de Alimentação com tensão automática (Clique na imagem para expandir)

5 - Fonte de Alimentação com Chave 110 V/220 V (Clique na imagem para expandir)

Fonte de alimentação AT(Advanced Tecnology):

Seu uso foi constante de 1983 até 1996. Um dos fatores que contribuíram para que o padrão AT deixasse de ser usado (e o ATX fosse criado), é o espaço interno reduzido, que com a instalação dos vários cabos do computador (flat cable, alimentação), dificultavam a circulação de ar, acarretando, em alguns casos danos permanentes à máquina devido ao super aquecimento. Isso exigia grande habilidade do técnico montador para aproveitar o espaço disponível da melhor maneira.

O conector de alimentação da fonte AT, que é ligado à placa-mãe, é composto por dois plugs semelhantes (cada um com seis pinos), que devem ser encaixados lado a lado, sendo que os fios de cor preta de cada um devem ficar localizados no meio. Caso esses conectores sejam invertidos e a fonte de alimentação seja ligada, a placa-mãe será fatalmente queimada. Com o padrão AT, é necessário desligar o computador pelo sistema operacional, aguardar um aviso de que o computador já pode ser desligado e clicar no botão “Power” presente na parte frontal do gabinete. Somente assim o equipamento é desligado. Isso se deve a uma limitação das fontes AT, que não foram projetadas para fazer uso do recurso de desligamento automático. Os modelos AT geralmente são encontrados com slots ISA, EISA, VESA nos primeiro modelos e, ISA e PCI nos mais novos AT (chamando de baby AT quando a placa-mãe apresenta um tamanho mais reduzido que os dos primeiros modelos AT). Somente um conector “soldado” na própria placa-mãe, que no caso, é o do teclado que segue o padrão DIN e o mouse utiliza a conexão serial. Posição dos slots de memória RAM e soquete de CPU sempre em uma mesma região na placa-mãe, mesmo quando placas de fabricantes diferentes. Nas placas AT são comuns os slots de memória SIMM ou SDRAM, podendo vir com mais de um dos padrões na mesma placa-mãe.Embora cada um destes tenha de ser utilizado individualmente.

Fonte de alimentação ATX(Advanced Technology Extended) :

Pelo nome, é possível notar que trata-se do padrão AT aperfeiçoado. Um dos principais desenvolvedores do ATX foi a Intel. O objetivo do ATX foi de solucionar os problemas do padrão AT (citados anteriormente), o padrão apresenta uma série de melhorias em relação ao anterior. Atualmente a maioria dos computadores novos vêm baseados neste padrão. Entre as principais características do ATX, estão:

• Maior espaço interno, proporcionando uma ventilação adequada.
• Conectores de teclado e mouse no formato mini-DIN PS/2 (conectores menores)
• Conectores serial e paralelo ligados diretamente na placa-mãe, sem a necessidade de cabos,
• Melhor posicionamento do processador, evitando que o mesmo impeça a instalação de placas deexpansão por falta de espaço.
• Desligamento automático do micro sem o uso da chave de desligamento encontrada no gabinete.
  

Encontramos melhoras significativas no padrão ATX em relação ao AT. Como o conector de energia ligado à placa-mãe que ao contrário do padrão AT, não é possível encaixar o plug de forma invertida. Cada orifício do conector possui um formato, que dificulta o encaixe errado. A posição dos slots de memória RAM e socket de CPU variam a posição conforme o fabricante. Nestas placas serão encontrados slots de memória SDRAM, Rambus, DDR, DDR2 ou DDR3, podendo vir com mais de um dos padrões na mesma placa-mãe. Geralmente os slots de expansão mais encontrados são os PCI, AGP, AMR/CNR e PCI-Express. As placas mais novas vêm com entrada na própria placa-mãe para padrões de disco rígido IDE, Serial ATA ou Serial ATA II.

O padrao ATX  como citado acima, suporta o uso do comando “shutdown”, que permite o desligamento automático do micro sem o uso da chave de desligamento encontrada no gabinete. Se a placa mãe for alimentada por uma fonte com padrão ATX é possível ligar o computador utilizando um sinal externo como, por exemplo, uma chamada telefônica recebida pelo modem instalado. Para isso, as fontes desse tipo contam com um sinal TTL (Transistor-Transistor Logic) chamado PS_ON (Power Supply On). Quando está ligada e em uso, a placa-mãe mantém o PS_ON em nível baixo, como se o estive deixando em um estado considerado “desligado”. Se a placa-mãe estiver em desuso, ou seja, não estiver recebendo as tensões, deixa de gerar o nível baixo e o PS_ON fica em nível alto. Esse sinal pode mudar seu nível quando receber ordens de ativação ou desativação de determinados recursos, por exemplo:

– Soft Power Control: Usado para ligar ou desligar a fonte por software. É graças a esse recurso que o sistema operacional consegue desligar o computador sem que o usuário tenha que apertar um botão para isso.

– Wake-on-LAN: Permite ligar ou desligar a fonte por placa de rede.

Como funciona a potência e quanta potência eu necessito?

A potência energética é uma medida da capacidade de interacção de um sistema por unidade de tempo, ou seja, é a taxa de variação da energia com o tempo.

Para facilitar na compreensão, vamos partir para um exemplo. Vamos considerar uma fonte cujo rótulo informa o seguinte:

Observe que a potências combinada das tensões +3,3 V, + 5 V e +12 V é de 477,8 W, que é somada com a potência das saídas de – 12 V e +5 VSB, que é 22,2 W (7,2 + 15). Assim, a fonte tem 500 W de potência total. Mas aqui vai uma dica: no ato da compra, observe se as saídas de +12 V (sim, geralmente há mais de uma) fornecem uma potência combinada razoável. Essa é mais importante porque consiste na tensão que é utilizada pelos dispositivos que mais exigem energia, como o processador e a placa de vídeo. No nosso exemplo, esse valor é de 384 W.

Você terá problemas se adquirir uma fonte com potência insuficiente. Por outro lado, comprar uma fonte muito poderosa é desnecessário como comprar um ônibus para uma família de 5 pessoas. A tabela a seguir pode te ajudar nisso. Ela fornece uma estimativa do quanto os principais componentes de um computador podem consumir:

Finalizando

Como você deve ter percebido no decorrer do artigo, a fonte de alimentação tem mais importância para um computador do que pensa. Por isso, é necessário direcionar maior atenção a esse item na hora de fazer um upgrade ou montar uma máquina. Como dica final, uma orientação que é comum na comprar de qualquer produto: pesquise. Dê preferência por modelos de marcas conceituadas, que fornecem todos os detalhes de seus produtos e garantia. E, mesmo assim, pesquise na internet pelos modelos que te interessarem, pois mesmo entre fabricantes reconhecidos há produtos que decepcionam. É claro que na maioria das vezes não é necessário adquirir uma fonte top de linha, por outro lado, fontes de custo muito baixo, apelidadas de “genéricas”, devem ser evitadas sempre que possível, pois quase sempre são de baixa qualidade e podem inclusive representar algum risco ao seu computador.

Curiosidade

Fonte de Alimentação Redundante – Está-se, a evoluir muito em sistemas redundantes e com detecção de falhas. Isso quer dizer que colocamos duas fontes de alimentação onde antes tínhamos só uma. Se uma falhar, a outra continua a funcionar (sistema redundante). Além disso, as fontes serão capazes de detectar possíveis problemas internos de mau funcionamento ou a proximidade do fim do seu ciclo de vida. Estes sistemas, no entanto, não são acessíveis.

Fontes:

• Clube do Hardware
• Wikipedia
• Refrigeração