Laércio Vasconcelos - Fontes de alimentação, reguladores e potência

Fontes de alimentação, reguladores, potência

Autor: Laércio Vasconcelos
out/2005

Conheça um pouco mais sobre as características técnicas das fontes de alimentação dos micros, e do uso da energia elétrica nas placas de CPU.

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Quem usa um PC moderno sabe da importância de uma boa fonte de alimentação. Infelizmente a qualidade das fontes de alimentação tem caído com o passar dos anos (aliás, o mesmo pode ser dito sobre alguns outros componentes do micro). Uma fonte de alimentação anunciada como 500 watts, na prática não consegue fornecer os anunciados 500 watts. Fontes de alimentação de melhor qualidade têm sido anunciadas como “fontes de xxx watts reais”.

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.

Uma fonte de alimentação de melhor qualidade tende a apresentar variações dentro dessas faixas restritas de tolerância, mesmo quando fornecem a máxima corrente. Uma fonte de qualidade inferior apresenta quedas de voltagem mais acentuadas quando são solicitadas para fornecer a máxima corrente, ou então simplesmente não chegam a fornecer a corrente anunciada.

Na carcaça de uma fonte de alimentação encontramos indicações das correntes que são fornecidas por cada uma das saídas de voltagem.

Quando uma placa mãe tem conector ATX de 12 volts, esta tensão é convertida em uma voltagem menor, porém com alta corrente (por exemplo, 1,5 volts e 40 ampères) para alimentar o processador. Quando a placa mãe não possui o conector ATX de 12 volts, então a fonte de +5 volts é usada para conversão de voltagem para alimentação do processador. Note na tabela da figura 1:

Obviamente se todas essas três saídas fornecerem a corrente máxima, a potência total ultrapassaria 530 watts, e a fonte é anunciada como sendo de apenas “450 watts”. O que ocorre na prática é que existem dois tipos de placas de CPU:

Este é um outro motivo que faz com que uma fonte nunca forneça na prática a potência anunciada: na prática as placas não “puxam” simultaneamente a corrente máxima em todas as saídas da fonte.

Portanto na prática as fontes de +5 e +12 não serão solicitadas simultaneamente para suas máximas correntes.

MAX 220 watts for +5 and +3,3 output combination
MAX 380 watts for +5, +3,3 and +12 output combination

No caso dessa fonte, apesar da saída de +5 volts fornecer 50 ampères (250 watts), o fabricante anuncia que não pode passar de 220 watts, mesmo junto com a potência fornecida pela saída de +3,3 volts. Então, mesmo que a saída de +3,3 volts não fornecesse corrente alguma, a saída de +5 volts poderia fornecer no máximo 44 watts. Vemos que as correntes que são indicadas na etiqueta da fonte não são para serem levadas a sério. São valores de pico, e não podem ser sustentadas de forma contínua. Para ter um bom fornecimento de corrente elétrica é preciso adquirir uma fonte de alta qualidade, ou então uma fonte genérica super dimensionada: se o fabricante anunciar 500 watts, talvez consiga fornecer na prática 400 watts.

Você encontrará este tipo de fonte nos chamados “AC Adapters”, que acompanham algumas caixas de som, modems e outros dispositivos externos. Já as fontes usadas pelos micros são chamadas de “fontes chaveadas”, apresentadas mais adiante neste artigo.

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).

A figura 2 mostra a diferença entre uma fonte de tensão contínua e uma alternada. Na fonte de tensão contínua (CC), a corrente trafega sempre no mesmo sentido. O valor da tensão é constante, e se ligarmos um circuito de características constantes, como lâmpadas e resistores, a corrente também será constante. Existem dois terminais, o positivo e o negativo. Na fonte de corrente alternada (CA), a corrente trafega, ora em um sentido, ora em outro sentido. A fonte CA empurra e puxa a corrente, indefinidamente.

A rede elétrica usada no Brasil opera com 60 ciclos por segundo, ou seja, empurra a corrente, depois puxa a corrente, e repete este ciclo 60 vezes a cada segundo. Dizemos que a tensão da rede é 60 Hz. Em alguns países, sobretudo na Europa, a rede opera com 50 Hz. O gráfico da tensão alternada tem a forma de uma senóide porque a geração é feita por eixos rotativos, existentes nos geradores das usinas de energia. Uma vantagem da tensão alternada é que pode ser facilmente convertida em valores mais altos ou mais baixos, através de transformadores, coisa que não pode ser feita tão facilmente com a corrente contínua.

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.

As fontes que operam como mostramos na figura 3 são as chamadas “fontes lineares”. Sua principal desvantagem é que requerem transformadores muito pesados para fazer a redução de voltagem, e capacitores muito grandes para fazer a filtragem. São adequadas quando a potência a ser fornecida (potência = tensão x corrente) é pequena. Os chamados “adaptadores AC”, usados para alimentar caixas de som e dispositivos que não possuem fonte própria, consomem pouca potência. Eles são na verdade fontes lineares de alimentação, com operação similar ao mostrado na figura 3.

Tanto os transformadores quanto os capacitores usados nas fontes de alimentação poderiam ser bem menores se a freqüência da rede elétrica fosse mais elevada, ao invés de operar com apenas 60 Hz. Por isso foram criadas as fontes chaveadas, utilizadas nos PCs e em todos os equipamentos eletrônicos modernos. Elas não necessitam de tranformadores e capacitores grandes, e por isso podem fornecer muita potência, porém mantendo peso e tamanho reduzidos.

A figura 4 mostra as etapas de funcionamento 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.

Você encontrará nas placas de CPU, circuitos chamados de “reguladores de voltagem”. Esses circuitos são pequenas fontes de alimentação do tipo CC-CC (convertem tensão contínua em outra tensão contínua com valor diferente). A figura 5 mostra alguns desses circuitos. São formados por um transistor chaveador (o componente preto com três “perninhas” que fica “deitado” sobre a placa), o transformador (o anel de ferrite com fios de cobre ao seu redor), capacitores de filtragem (os componentes em forma de cilindro) e o regulador de voltagem (são similares aos transistores chaveadores).

O objetivo do regulador de voltgem é gerar as voltagens necessárias ao funcionamento dos chips. Por exemplo, memórias DDR operam com 2,5 volts, mas a fonte de alimentação não gera esta voltagem. Então um circuito regulador na placa mãe recebe uma entrada de +5 ou +3,3 volts e a converte para 2,5 volts.

Na época dos primeiros PCs, a esmagadora maioria dos chips operavam com +5 volts. Esta era portanto a única saída de alta corrente (fontes padrão AT). A saída de +12 volts naquela época operava com corrente menor que nas fontes atuais. Chegaram então os primeiros processadores a operarem com 3,3 volts, como o 486DX4 e o Pentium. As placas de CPU passaram a incluir circuitos reguladores de voltagem, que geravam +3,3 volts a partir da saída de +5 volts da fonte.

Novos processadores, chips e memórias passaram a operar com voltagens menores. Memórias SDRAM operavam com +3,3 volts, ao contrário das antigas memorais FPM e EDO, que usavam +5 volts. Chipsets, que fazem entre outras coisas, a ligação entre a memória e o processador, passaram a operar com +3,3 volts. Os slots PCI ainda usam até hoje, +5 volts, mas o slot AGP no seu lançamento operava com +3,3 volts, e depois passou a operar com +1,5 volt. Por isso uma placa de CPU moderna tem vários reguladores de voltagem.

Interessante é o funcionamento do regulador de voltagem que alimenta o processador. Este regulador era antigamente configurado através de jumpers. Por exemplo, a maioria dos processadores K6-2 operava com 2,2 volts, e esta tensão tinha que ser configurada. A partir do Pentium II, a voltagem que alimenta o núcleo do processador passou a ser automática, apesar de muitas placas continuarem oferecendo a opção de configuração manual de voltagem para o núcleo do processador.

Um processador moderno tem um conjunto de pinos chamados VID (Voltage Identification). São 4, 5 ou 6 pinos, dependendo do processador. Esses pinos geram uma combinação de zeros e uns que é ligada diretamente nos pinos de programação do regulador de voltagem que alimenta o processador. Na maioria das placas de CPU, este circuito gera a tensão do núcleo do processador a partir da saída de +12 volts da fonte. Por isso as fontes de alimentação atuais (ATX12V, mas conhecidas vulgarmente no comércio como “fonte de Pentium 4”) tem o conector de +12 volts dedicado e de alta corrente.

O funcionamento dos diversos reguladores de voltagem da placa mãe está ilustrado na figura 6. Usamos como exemplo a geração de +1,5 volts para um processador Pentium 4 a partir dos +12 volts da fonte.

Os +12 volts passam pelo transistor chaveador e são transformados em +12 volts pulsantes (onda quadrada) de altra freqüência. Esta onda passa pelo transformador e é reduzida para uma voltagem adequada à redução posterior (+2 volts, por exemplo). Esta tensão é retificada e filtrada. Finalmente passa por um regulador que “corta” o excesso de voltagem, deixando passar exatamente a voltagem exigida pelo núcleo do processador.