Uma fonte de alimentação é um equipamento usado para alimentar cargas elétricas.[1] Cada dispositivo eletroeletrônico necessita de uma fonte para prover energia para seus componentes. Esta energia pode variar de acordo com a carga que este equipamento usa. Estas fontes de energia podem ser de corrente contínua como um conversor AC/DC ou um regulador de tensão, pode ser um regulador linear, fonte de energia AC, fonte de alimentação ininterrupta ou fonte de energia de alta tensão.
Fonte de corrente contínua
Uma fonte de corrente contínua é um aparelho eletrônico que fornece energia contínua. Ele pode ser um regulador de tensão ou um conversor AC/DC.
Regulador de tensão
Transforma energia cc de um nível de tensão para outro nível. Um dos reguladores de tensão mais conhecidos é o lm7805 que transforma tensão DC 7-30v para 5v.[2]
Conversor AC/DC
Este conversor pode ser representado por dois estágios. Em um estágio ele reduz a tensão de sua fonte (geralmente da tomada) usando um transformador. O segundo estágio é composto pelo retificador (de meia onda ou de onda completa) composto por diodos, bobinas e condensadores para filtragem e regular as diferentes tensões de saída (DC).[3][3]
As fontes de computador são do tipo 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. A vantagem é que o rendimento de potência é maior e a perda por geração de calor bem menor do que nas fontes lineares. Além disso necessita de transformadores menores e mais leves. A desvantagem é a emissão de ruídos e radiação de alta frequência devido à alta freqüência de chaveamento.
As principais fontes de alimentação de PCs de hoje são ATX, normas Intel ATX v2.20 e ATX v2.23 e variam maioritariamente entre os 200W e os 1600W.
Regulador linear
Transistor regulador linear.
Numa fonte de alimentação do tipo linear, a tensão alternada da rede elétrica é aumentada ou reduzida por um transformador, retificada por diodos ou ponte de diodos retificadores para que somente os ciclos positivos ou os negativos possam ser usados, a seguir estes são filtrados para reduzir o ripple (ondulação) e finalmente regulados pelo circuito regulador de tensão.
Fonte de energia AC
Fornece energia AC para equipamentos. Pode ser um estabilizador de tensão, transformador ou filtro de linha. Os estabilizadores de tensão são muito usados para fornecer uma tensão de melhor qualidade.[5] Como a maior parte do Brasil trabalha com tensão de 220/230 V,[6] a saída dos estabilizadores geralmente é de 110/115 V.
Fonte chaveada
Uma fonte chaveada ou fonte comutada (em inglês, 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:
Sendo que CA e CC correspondem, respectivamente, às abreviações de corrente alternada e corrente contínua.
A história das fontes chaveadas começa em 1910, quando um sistema de ignição de descarga indutivo inventado por Charles F. Kettering e sua empresa Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) entra em produção para a Cadillac.[7]
Comparação entre fonte chaveada e 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!:)
- Uma coisa interessante é que: as fontes chaveadas estão sendo bastante utilizadas em amplificadores de áudio automotivos por seu alto nível de eficiência, tamanho reduzido e topologias.
Fonte de alimentação ininterrupta
Fonte de alimentação ininterrupta, também conhecida pelo acrônimo UPS (sigla em inglês de uninterruptible power supply) ou no-break no Brasil, é um sistema de alimentação secundário de energia elétrica que entra em ação, alimentando os dispositivos a ele ligados, quando há interrupção no fornecimento de energia primária. Sua alimentação é provida por uma bateria selada, que fica sendo carregada enquanto a rede elétrica está funcionando corretamente. Essa bateria possui uma autonomia em geral (entre 10 e 30 minutos, dependendo da quantidade de equipamentos utilizados e do modelo), tempo suficiente, no entanto para salvar os dados ou aguardar o início da operação de gerador.
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| Aspectos anterior e posterior de uma fonte de alimentação ininterrupta. |
Um UPS, popularmente conhecido como no-break, é empregado em aparelhos eletrônicos, como computadores. Sua alimentação é provida por uma bateria, que fica sendo carregada enquanto a rede elétrica está funcionando corretamente. Essa bateria possui uma autonomia em geral não muito grande (algo entre 10 e 15 minutos, dependendo da quantidade de equipamentos utilizados e do modelo), tempo suficiente, no entanto para salvar os dados ou aguardar o início da operação de gerador. Quanto mais equipamentos conectados ao no-break, menos autonomia ele terá, pois estará consumindo mais carga que o necessário. (Autonomia é o tempo que a bateria da fonte consegue fornecer energia para o computador depois de um corte do fornecimento através da rede elétrica.)
O nobreak, além de proteger os aparelhos em casos de quedas energia, serve para conter:
- Subtensão ou sobretensão na rede elétrica;
- Sobrecarga;
- Descarga das baterias;
- Curto circuito nas saídas;
- Picos de tensão;
- Também fornece uma energia limpa e ininterrupta.
Tipos de fonte ininterrupta
Existem dois tipos de "no-breaks", o "on-line" e o "off-line".
Sistemas ininterruptos de energia, definidos no Brasil através na NBR 15014 da ABNT como nobreaks, são sistemas responsáveis pelo fornecimento de energia condicionada para cargas críticas sem interrupções, mesmo durante uma falta no fornecimento de energia das concessionárias.
Nos equipamentos "on line" sempre existe dupla conversão de energia. No primeiro estágio o retificador opera como conversor de tensão C.A. da rede elétrica em tensão C.C. e no segundo estágio o inversor converte tensão contínua C.C. em alternada C.A. para a saída. Deste modo a tensão de saída fornecida para a carga possui amplitude/freqüência/forma totalmente independentes da entrada.
Esta é a única topologia de nobreak que protege a carga contra os seis principais distúrbios da rede elétrica, sempre fornecendo tensão senoidal na saída além de não apresentar interrupção nas transferências de carga.
Line interactive são uma evolução dos "offline". Neles o inversor também assume apenas quando existe uma falha elétrica. A única diferença é que o inversor fica ligado continuamente e um circuito de monitoramento que se encarrega de monitorar a tensão e usa a energia do inversor em caso de queda de tensão. A ideia é somar uma proteção UPS do equipamento e um estabilizador.
Aparelhos para utilização
Esse equipamento é ideal para diversos ambientes, como residências, em microcomputadores, impressoras, scanners, video games, aparelhos de som e televisores. É uma proteção muito útil no setor industrial, em data centers, servidores de rede, sistemas de segurança e automações comerciais. Os equipamentos hospitalares, que também precisam de energia 24 horas por dia, se beneficiam do nobreak.
Aplicação
- N+1: Em grandes empresas, onde a confiabilidade é um elemento de grande importância, um único UPS enorme também pode ser um ponto único de falha que pode afetar muitos outros sistemas. Para fornecer maior confiabilidade, vários módulos e baterias menores que a fonte de alimentação ininterrupta podem ser integrados para fornecer proteção de energia redundante equivalente a uma fonte de alimentação muito grande. "N + 1" significa que se a carga pode ser fornecida por N módulos, a instalação conterá N + 1 módulos. Dessa forma, a falha de um módulo não afetará a operação do sistema.
- Redundância múltiple: Muitos servidores de computadores oferecem a opção de fontes de alimentação redundantes, assim caso houver uma falha, uma ou mais fontes de alimentação podem fornecer eletricidade. Este é um ponto crítico, cada fonte de alimentação tem que dar energía ao servidor inteiro por si só.
- Uso para exteriores: Quando o sistema de alimentação ininterrupta está no exterior, devem ter algumas características específicas que garantam a abrangência a o tempo sem nenhum efeito no seu rendimento. Fatores como a temperatura, a humidade, a chuva e a neve devem ser considerados pelo fabricante quando se projeta um sistema de alimentação no exterior. A abrangência de temperatura deve ser entre -40ºC a +55ºC.
Ver também
Referências
Ligações externas
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