Anatomia das Fontes de Alimentao Chaveadas

Anatomia das Fontes de Alimentao Chaveadas

Autor: Gabriel Torres e Cssio Lima Tipo: Tutoriais ltima Atualizao: 27 de maio de 2006Pgina: 1 de 8Parte superior do formulrio

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Introduo

As fontes de alimentao usadas nos computadores so baseadas em uma tecnologia chamada modo de chaveamento, chaveamento em alta freqncia ou SMPS (Switching Mode Power Supply). Neste tutorial explicaremos como as fontes de alimentao chaveadas funcionam e faremos uma jornada por dentro de uma fonte de computador, mostrando a voc os principais componentes e suas respectivas funes.

Ns j publicamos um tutorial sobre Fontes de Alimentao, onde explicamos sobre os padres, como calcular a potncia nominal de uma fonte e falamos tambm sobre as especificaes bsicas de uma fonte de alimentao. Neste tutorial iremos mais a fundo, explicando o que h dentro de uma fonte de alimentao, quais os principais componentes e como identific-los.

As fontes de alimentao podem ser construdas com duas tecnologias: linear ou chaveada.

As fontes de alimentao lineares pegam os 127 V ou 220 V da rede eltrica e, com ajuda de um transformador, reduzem esta tenso para, por exemplo, 12 V. Esta tenso reduzida, que ainda alternada, passa ento por um circuito de retificao que feito por uma srie de diodos, transformando esta tenso alternada em tenso pulsante (nmero 3 nas Figuras 1 e 2). O prximo passo a filtragem, que feito por um capacitor eletroltico que transforma esta tenso pulsante em quase contnua (nmero 4 nas Figuras 1 e 2). Como a tenso contnua obtida aps o capacitor oscila um pouco (esta oscilao chamada ripple), um estgio de regulao de tenso necessrio, feito por um diodo zener ou por um circuito integrado regulador de tenso. Aps este estgio a sada realmente contnua (nmero 5 nas Figuras 1 e 2).

clique para ampliarFigura 1: Diagrama em bloco de uma fonte de alimentao linear.

clique para ampliarFigura 2: Formas de ondas encontradas em uma fonte de alimentao linear.

Embora fontes de alimentao lineares trabalhem muito bem para aplicaes que exigem pouca potncia telefones sem fio e consoles de videogames so duas aplicaes que podemos citar , quando uma alta potncia requerida, fontes de alimentao lineares podem ser literalmente muito grandes para a tarefa.

O tamanho do transformador e a capacitncia (e o tamanho) do capacitor eletroltico so inversamente proporcionais freqncia de entrada da tenso alternada: quanto menor a freqncia da tenso alternada maior o tamanho dos componentes e vice-versa. Como fontes de alimentao lineares ainda usam os 60 Hz (ou 50 Hz, dependendo do pas) da freqncia da rede eltrica que uma freqncia muito baixa , o transformador e o capacitor so muito grandes.

Alm disso, quanto maior a corrente (ou seja, a potncia) exigida pelo circuito, maior o transformador da fonte de alimentao.

Construir uma fonte de alimentao linear para PCs seria loucura, j que ela seria muito grande e muito pesada. A soluo foi o uso de um chaveador de alta freqncia.

Em fontes de alimentao chaveadas em alta freqncia a tenso de entrada tem sua freqncia aumentada antes de ir para o transformador (50 a60 KHz so valores tpicos). Com a freqncia da tenso de entrada aumentada, o transformador e o capacitor eletroltico podem ser bem menores. Este o tipo de fonte de alimentao usada nos PCs e em muitos outros equipamentos eletrnicos, como videocassetes. Tenha em mente que chaveada uma forma reduzida para chaveada em alta freqncia, no tendo nada a ver se a fonte tem ou no uma chave liga/desliga.

A fonte de alimentao usada nos PCs utiliza uma abordagem ainda melhor: ela um sistema de lao fechado. O circuito que controla o transistor chaveador monitora as sadas da fonte de alimentao, aumentando ou diminuindo o ciclo de trabalho da tenso aplicada ao transformador de acordo com o consumo do micro (esta tcnica chamada PWM, Modulao por Comprimento de Pulso). Ciclo de trabalho a diviso entre o tempo em que uma forma de onda quadrada fica em 0 ou em 1. Em uma onda quadrada simtrica o ciclo de trabalho de 50%. Uma onda com ciclo de trabalho de 33% ficaria 1/3 do tempo em "1" e 2/3 do tempo em "0". A fonte de alimentao reajusta o seu ciclo de trabalho dependendo do consumo do dispositivo conectado a ela. Quando seu micro no est consumindo muita potncia, a fonte de alimentao reajusta o seu ciclo de trabalho para fornecer menos corrente, fazendo com que o transformador e todos os outros componentes dissipem menos potncia, o que reduz o calor gerado.

As fontes de alimentao linear so configuradas para fornecer a potncia mxima, mesmo se o circuito que esteja conectado a ela no esteja exigindo muita corrente. O resultado que todos os componentes trabalham em sua capacidade mxima, mesmo que no seja necessrio. O resultado a gerao de muito calor.

Diagrama de uma Fonte de Alimentao Chaveada

Na Figura 3 voc pode ver o diagrama em blocos de uma fonte de alimentao chaveada usada nos PCs com o recurso PWM.

clique para ampliarFigura 3: Diagrama em bloco de uma fonte de alimentao chaveada com o recurso PWM.

Este um diagrama muito bsico. No inclumos circuitos extras como proteo contra curto-circuito, circuito stand-by, gerador do sinal power good, etc para mantermos o diagrama simples de fcil entendimento. Na Figura 4 voc pode ver o esquema detalhado de uma fonte de alimentao chaveada. Se voc no entende de eletrnica, no se preocupe. Colocamos esta figura aqui para os leitores que querem informaes mais aprofundadas sobre o funcionamento das fontes chaveadas.

clique para ampliarFigura 4: Diagrama esquemtico de uma fonte de alimentao ATX.

Voc pode estar se perguntando onde est o estgio de regulao de tenso nas Figuras 3 e 4. O circuito PWM faz a regulao de tenso. A tenso de entrada retificada antes de passar pelos transistores de chaveamento, e o que eles enviam para o transformador uma forma de onda quadrada. Dessa forma, o que temos na sada do transformador uma forma de onda quadrada, no a forma de onda senoidal. Como a forma de onda j est quadrada muito fcil transform-la em tenso contnua. Ento aps a retificao depois do transformador, a tenso j estar contnua.

A realimentao usada para alimentar o circuito de controle PWM a responsvel por fazer toda a regulao necessria. Se a tenso de sada estiver errada, o circuito de controle PWM muda o ciclo de trabalho do sinal aplicado ao transistor de modo a corrigir a sada. Isto acontece quando o consumo do micro aumenta, situao onde a tenso de sada tende a diminuir, ou quando o consumo do micro diminui, situao onde a tenso de sada tende a aumentar.

Tudo o que voc precisa saber antes de passar para a prxima pgina (e o que voc pode aprender prestando ateno na Figura 3):

Tudo antes do transformador chamado primrio e tudo aps ele chamado secundrio.

Se a chave 110 V / 220 V estiver configurada para 110 V, a fonte de alimentao usar um dobrador de tenso de modo a fazer com que a tenso esteja sempre por volta de 220 V antes da ponte retificadora.

Nas fontes de alimentao dos PCs dois transistores em um configurao push-pull normalmente fazem o chaveador.

A forma de onda aplicada ao transformador quadrada. Assim, a forma de onda encontrada na sada do transformador quadrada, no senoidal.

O circuito de controle PWM que normalmente um circuito integrado est isolado do primrio atravs de um pequeno transformador. Algumas vezes, em vez de um transformador um optoacoplador (um pequeno circuito integrado contendo um LED e um fototransistor empacotados juntos) usado.

Como mencionamos, o circuito de controle PWM usa as sadas da fonte de alimentao para controlar como ele ir conduzir o transistor de chaveamento. Se a tenso de sada estiver errada, o circuito de controle PWM muda o ciclo de carga da forma de onda aplicada no transistor de chaveamento de modo a corrigir a sada.

Nas prximas pginas iremos explorar cada um desses estgios com figuras mostrando onde voc pode encontr-los dentro de uma fonte de alimentao.

Por Dentro de Uma Fonte de Alimentao

Ao abrir uma fonte de alimentao pela primeira vez (no faa isso com ela ligada na rede eltrica ou voc poder tomar um choque), voc pode se sentir perdido ao tentar identificar seus componentes. Mas voc reconhecer pelo menos duas coisas: a ventoinha da fonte de alimentao e alguns dissipadores de calor.

clique para ampliarFigura 5: Por dentro de uma fonte de alimentao de computador.

Mas voc deve ser capaz de reconhecer facilmente os componentes que pertencem ao primrio e secundrio. Os dois maiores capacitores eletrolticos pertencem ao dobrador de tenso encontrando eles voc localizar o primrio. Os dois transistores de chaveamento esto presos ao dissipador de calor. O transformador principal o maior transformador (esta fonte de alimentao tem trs transformadores). Os vrios capacitores eletrolticos menores e bobinas pertencem fase de filtragem encontrando eles voc localizar o secundrio. Uma maneira fcil de encontrar o secundrio e o primrio simplesmente seguir os fios da fonte de alimentao. Os fios de sada esto conectados ao secundrio enquanto que os fios de entrada (aqueles que vm da tomada) esto conectados ao primrio, como voc pode ver na Figura 6.

clique para ampliarFigura 6: Localizando o primrio e o secundrio.

Falaremos agora sobre os componentes encontrados em cada estgio da fonte de alimentao.

Filtragem de Transientes

O primeiro estgio de uma fonte de alimentao para PCs a filtragem de transientes. O componente principal deste estgio chamado MOV (Varistor de xido Metlico) ou simplesmente varistor, que o responsvel por cortar os picos de tenso (transientes) encontrados na rede eltrica. Este exatamente o mesmo componente encontrado nos filtros de linha. por isso que os filtros de linha no servem para nada, j que todas as fontes de alimentao j possuem um varistor.

Alm do MOV, voc encontrar tambm uma bobina de ferrite e capacitores (cermicos e de polister) neste estgio. O filtro de transientes no apenas filtra os transientes oriundos da rede eltrica, mas tambm evita que o rudo gerado pelo transistor de chaveamento volte para a rede eltrica, que causaria interferncia em outros equipamentos eletrnicos.

clique para ampliarFigura 7: Componentes da filtragem de transientes.

Voc deve tambm encontrar um fusvel perto do filtro de transientes. Se o fusvel estiver queimado, cuidado. Fusveis no queimam sozinhos e um fusvel queimado normalmente indica que um ou mais componentes da fonte de alimentao esto com defeito. Se voc substituir o fusvel, o novo provavelmente estourar logo aps voc ter ligado o micro.

Dobrador de Tenso e Retificador Primrio

O dobrador de tenso utiliza dois grandes capacitores eletrolticos. Desta forma os maiores capacitores encontrados em uma fonte de alimentao pertencem a este estgio. Como mencionamos, o dobrador de tenso usado apenas se voc conectar sua fonte de alimentao na tenso eltrica de 127 V.

clique para ampliarFigura 8: Capacitores eletrolticos do dobrador de tenso.

clique para ampliarFigura 9: Capacitores eletrolticos do dobrador de tenso removidos da fonte de alimentao.

Prximo aos dois capacitores eletrolticos voc encontrar uma ponte retificadora. Esta ponte pode ser feita por quatro diodos ou por um nico componente, como voc pode ver na Figura 10.

clique para ampliarFigura 10: Ponte retificadora.

No primrio voc encontrar tambm um termistor NTC, que um resistor que muda sua resistncia de acordo com a temperatura. Ele usado para reconfigurar a fonte de alimentao aps ela ter sido usada por um tempo e est quente. NTC significa Coeficiente de Temperatura Negativa (Negative Temperature Coefficient).

Transistores Chaveadores

As fontes de alimentao dos PCs normalmente utilizam dois transistores chaveadores em configurao push-pull. Esses transistores possuem um dissipador de calor, j que eles so transistores de potncia e produzem muito calor. Como em nossa fonte de alimentao os transistores estavam localizados atrs dos dois grandes capacitores eletrolticos do dobrador de tenso, ns removemos os capacitores para voc ter uma idia de como os transistores so. Como voc pode ver nas figuras abaixo, eles so pretos e tm trs terminais.

clique para ampliarFigura 11: Localizao dos transistores chaveadores.

clique para ampliarFigura 12: Os transistores chaveadores.

Transformadores e Circuito de Controle PWM

Fontes de alimentao ATX tpicas tm trs transformadores. O maior deles o mostrado no diagrama em blocos (Figura 3), onde seu primrio est conectado aos transistores chaveadores e seu secundrio est conectado aos diodos de retificao e circuitos de filtragem que fornecem as sadas da fonte de alimentao (+12 V, +5 V, -12 V, -5 V, etc). O segundo transistor um transformador isolador, responsvel por conectar o circuito de controle PWM aos transistores chaveadores (descrito como isolador em nosso digrama em blocos). O terceiro transformador, que no inclumos em nosso diagrama em blocos, usado para gerar a sada +5VSB (esta sada gerada por um circuito independente, no sendo conectada ao secundrio do transformador principal, ver Figura 4).

clique para ampliarFigura 13: Transformadores da fonte de alimentao.

O circuito de controle PWM feito por um circuito integrado, normalmente o TL494 (em nossa fonte de alimentao foi usado um circuito compatvel, o DBL494). Um outro circuito integrado normalmente usado nas fontes de alimentao para gerar o sinal power good. Falaremos mais sobre ele a seguir.

clique para ampliarFigura 14: Circuito de controle PWM.

O Secundrio

Finalmente, o estgio secundrio. Na Figura 15 voc pode ter uma viso geral dele. Aqui voc pode ver um circuito integrado responsvel pela gerao do sinal power good. Normalmente fontes de alimentao usadas nos PCs utilizam um LM339 ou um circuito equivalente.

Voc encontrar vrios capacitores eletrolticos (bem menores que outros encontrados no dobrador de tenso) e vrias bobinas. Eles so responsveis pelo estgio de filtragem.

clique para ampliarFigura 15: Estgio secundrio da fonte de alimentao.

Para uma melhor visualizao cortamos todos os fios e removemos as duas bobinas de filtragem maiores. Na Figura 16 voc pode ver os pequenos diodos usados na retificao das tenses de 12 V e 5 V, que fornece uma corrente menor (e, conseqentemente, uma potncia menor) do que as demais sadas (0,5 A cada nesta fonte de alimentao especfica). As outras tenses de sada fornecem correntes acima de 1 A, requerendo diodos de potncia para realizar a retificao.

clique para ampliarFigura 16: Diodos de retificao para tenses de -12 V e -5 V.

Na Figura 17 podemos ver com mais clareza os componentes que esto conectados ao dissipador de calor encontrado no estgio secundrio. Da esquerda para direita, voc pode encontrar:

Um circuito integrado regulador de tenso apesar dele ter trs terminais e se parecer com um transistor, ele um circuito integrado. No caso de nossa fonte de alimentao este circuito era um 7805 (regulador de 5 V), responsvel por regular a sada +5VSB. Como mencionamos anteriormente, esta sada usa um circuito independente da linha padro de +5 V (veja na Figura 4 para um melhor entendimento). O 7805 pode fornecer at 1 A.

Um transistor de potncia MOSFET para regular a sada de +3,3 V. No caso de nossa fonte de alimentao este transistor era o PHP45N03LT, que suporta at 45 A. (A fonte de alimentao mostrada na Figura 4 usava um componente diferente um circuito integrado TL431C para esta funo; tenha em mente que o esquema mostrado na Figura 4 no o da fonte de alimentao que desmontamos).

Um retificador de potncia, que simplesmente dois diodos montados juntos no mesmo encapsulamento. No caso da nossa fonte de alimentao o retificador usado era um STPR1620CT, que pode suportar at 8 A para cada diodo (16 A no total). Este retificador usado para a tenso de +12 V.

Um outro retificador de potncia. No caso de nossa fonte de alimentao o retificador usado era um E83-004, que pode suportar at 60 A. Este retificador de potncia especfico usado para as tenses +5 V e +3,3 V. Como as tenses de +5 V e +3,3 V utilizam o mesmo retificador, suas correntes somadas no podem ser maiores do que a corrente mxima do retificador. Este conceito chamado potncia combinada. Em outras palavras, a tenso de +3,3 V gerada a partir de uma tenso de +5 V; o transformador no tem sada de 3,3 V, diferentemente do que acontecem com todas as outras tenses fornecidas pela fonte de alimentao.

clique para ampliarFigura 17: Componentes conectados ao dissipador de calor.

Note que as correntes mximas so apenas para os componentes. A corrente mxima que a fonte de alimentao pode fornecer depender de outros componentes que esto ligados a esses. Por exemplo, a corrente mxima rotulada para o barramento de +12 V da fonte de alimentao era 11,5 A, mas ela usa um retificador de 16 A. A mesma coisa acontece com o barramento de +3,3 V/+5 V, que tem uma corrente combinada de 44 A, mas usa um retificador de 60 A.

Podemos encontrar algumas discrepncias interessantes. No rtulo desta fonte de alimentao, por exemplo, diz que a sada +5VSB pode fornecer uma corrente de 1,5 A (ou 7,5 W, P = V x I). Incrivelmente com os componentes usados nesta fonte de alimentao podemos facilmente verificar que isto impossvel, uma vez que a sada +5VSB fornecida pelo regulador 7805, que s pode fornecer at 1 A. Desta forma, a potncia mxima correta para a tenso de +5VSB desta fonte de alimentao 5 W, no 7,5 W.

Voc pode estar se perguntando porque a tenso de +3,3 V tem um regulador de tenso e as outras no. A forma de onda encontrada na sada do transformador quadrada, no senoidal. Assim, aps passar pelos diodos de retificao, j temos uma tenso contnua sem a necessidade de regulao de tenso. A sada de +3,3 V necessita de um circuito extra porque esta tenso gerada a partir da sada de +5 V e no de um transformador separado, como acontece com outras sadas.

Na verdade, todas as sadas so reguladas, mas em vez de usar um circuito integrado regulador de tenso, elas utilizam o circuito de controle PWM. O circuito de controle PWM alimentado com as tenses de +5V e +12V. Se essas tenses aumentarem ou diminurem, o circuito de controle PWM muda o ciclo de trabalho da forma de onda que controla os transistores chaveadores de modo a aumentar ou diminuir as tenses de sada para seus nveis corretos. Como os transistores chaveadores operam em alta freqncia, esta correo feita em microssegundos.

Para um aprendizado mais aprofundado sobre o assunto, recomendamos a leitura do livro "Manuteno de Fontes Chaveadas".

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