Fonte de alimentação

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Fonte de alimentação

Circuito eletrônico de uma fonte
de alimentação AC/DC básica,
mostrando da esquerda para
a direita: o transformador, o
retificador de onda completa,
o capacitor de filtro e a
carga do resistor.

Tipo	aparelho elétrico (en) electrical energy source (d) adapter (en) regulator (en) electric power source (d) source type (d)

Utilização

Uso	energy transformation (en)

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Uma fonte de alimentação é um dispositivo elétrico que fornece energia elétrica a uma carga elétrica. O principal objetivo de uma fonte de alimentação é converter a corrente elétrica de uma fonte para a tensão, corrente e frequência corretas para alimentar a carga.^[1] Como resultado, as fontes de alimentação às vezes são chamadas de conversores de energia elétrica. Algumas fontes de alimentação são equipamentos independentes separados, enquanto outras são incorporadas aos dispositivos de carga que alimentam. Exemplos deste último incluem fontes de alimentação encontradas em computadores de mesa e dispositivos eletrônicos de consumo. Outras funções que as fontes de alimentação podem executar incluem limitar a corrente consumida pela carga a níveis seguros, desligar a corrente no caso de uma falha elétrica, condicionamento de energia para evitar que ruídos eletrônicos ou picos de tensão na entrada atinjam a carga, correção de fator, e armazenamento de energia para que possa continuar a alimentar a carga em caso de interrupção temporária da fonte de alimentação (fonte de alimentação ininterrupta).

Todas as fontes de alimentação têm uma conexão de entrada de energia , que recebe energia na forma de corrente elétrica de uma fonte, e uma ou mais saídas de energia ou conexões de trilho que fornecem corrente à carga. A fonte de energia pode vir da rede elétrica, como uma tomada elétrica, dispositivos de armazenamento de energia, como baterias ou células de combustível, geradores ou alternadores, conversores de energia solar ou outra fonte de alimentação. A entrada e a saída são geralmente conexões de circuito com fio, embora algumas fontes de alimentação empreguem transferência de energia sem fio para alimentar suas cargas sem conexões com fio. Algumas fontes de alimentação também possuem outros tipos de entradas e saídas, para funções como monitoramento e controle externo.

As fontes de alimentação são categorizadas de várias maneiras, inclusive por recursos funcionais. Por exemplo, uma fonte de alimentação regulada é aquela que mantém a tensão ou corrente de saída constante apesar das variações na corrente de carga ou na tensão de entrada. Por outro lado, a saída de uma fonte de alimentação não regulada pode mudar significativamente quando sua tensão de entrada ou corrente de carga muda. Fontes de alimentação ajustáveis ​​permitem que a tensão ou corrente de saída seja programada por controles mecânicos (por exemplo, botões no painel frontal da fonte de alimentação), ou por meio de uma entrada de controle, ou ambos. Uma fonte de alimentação regulada ajustável é aquela que é ajustável e regulada. Uma fonte de alimentação "isolada" tem uma saída de energia que é eletricamente independente de sua entrada de energia; isso contrasta com outras fontes de alimentação que compartilham uma conexão comum entre entrada e saída de energia.

As fontes de alimentação são embaladas de diferentes maneiras e classificadas de acordo. Uma fonte de alimentação de bancada é uma unidade de desktop autônoma usada em aplicações como teste e desenvolvimento de circuitos. As fontes de alimentação de estrutura aberta têm apenas um invólucro mecânico parcial, às vezes consistindo apenas de uma base de montagem; estes são normalmente embutidos em máquinas ou outros equipamentos. As fontes de alimentação montadas em rack são projetadas para serem fixadas em racks de equipamentos eletrônicos padrão. Uma fonte de alimentação integrada é aquela que compartilha uma placa de circuito impresso comum com sua carga. Uma fonte de alimentação externa , adaptador CA ou fonte de alimentação, é uma fonte de alimentação localizada no cabo de alimentação CA da carga que se conecta a uma tomada de parede; uma verruga de parede é uma fonte externa integrada com o próprio plugue de tomada. Eles são populares em eletrônicos de consumo por causa de sua segurança; a perigosa corrente principal de 120 ou 240 volts é transformada em uma voltagem mais segura antes de entrar no corpo do aparelho.

As fontes de alimentação podem ser divididas em tipos lineares e de comutação. Os conversores lineares de potência processam a potência de entrada diretamente, com todos os componentes ativos de conversão de potência operando em suas regiões lineares de operação. Nos conversores de potência chaveados, a potência de entrada é convertida em pulsos CA ou CC antes do processamento, por componentes que operam predominantemente em modos não lineares (por exemplo, transistores que passam a maior parte do tempo em corte ou saturação). A energia é "perdida" (convertida em calor) quando os componentes operam em suas regiões lineares e, consequentemente, os conversores chaveadores são geralmente mais eficientes que os conversores lineares, pois seus componentes passam menos tempo em regiões lineares de operação.

Uma fonte de alimentação CA para CC opera com uma tensão de entrada CA e gera uma tensão de saída CC. Dependendo dos requisitos da aplicação, a tensão de saída pode conter quantidades grandes ou insignificantes de componentes de frequência CA conhecidos como tensão de ondulação, relacionados à frequência de tensão de entrada CA e à operação da fonte de alimentação. Uma fonte de alimentação DC operando com tensão de entrada DC é chamada de conversor DC-DC. Esta seção se concentra principalmente na variante AC-to-DC.

Em uma fonte de alimentação linear, a tensão de entrada CA passa por um transformador de potência e é então retificada e filtrada para obter uma tensão CC. A filtragem reduz a amplitude da frequência da rede CA presente na saída do retificador e pode ser tão simples quanto um único capacitor ou mais complexa como um filtro pi. A tolerância de ondulação da carga elétrica determina a quantidade mínima de filtragem que deve ser fornecida pela fonte de alimentação. Em algumas aplicações, a ondulação pode ser totalmente ignorada. Por exemplo, em algumas aplicações de carregamento de bateria, a fonte de alimentação consiste em apenas um transformador e um diodo, com um resistor simples colocado na saída da fonte de alimentação para limitar a corrente de carga.

Em uma fonte de alimentação comutada (SMPS), a entrada da rede CA é retificada diretamente e depois filtrada para obter uma tensão CC. A tensão DC resultante é então ligada e desligada em alta frequência por circuitos de comutação eletrônica, produzindo assim uma corrente AC que passará por um transformador ou indutor de alta frequência. A comutação ocorre em uma frequência muito alta (tipicamente 10 kHz - 1 MHz), permitindo assim o uso de transformadores e capacitores de filtro que são muito menores, mais leves e mais baratos do que os encontrados em fontes de alimentação linear operando na frequência da rede. Após o secundário do indutor ou transformador, a CA de alta frequência é retificada e filtrada para produzir a tensão de saída CC. Se o SMPS utilizar um transformador de alta frequência adequadamente isolado, a saída será isolada eletricamente da rede; esse recurso é muitas vezes essencial para a segurança.

As fontes de alimentação comutadas são geralmente reguladas e, para manter a tensão de saída constante, a fonte de alimentação emprega um controlador de realimentação que monitora a corrente consumida pela carga. O ciclo de trabalho de comutação aumenta à medida que os requisitos de saída de energia aumentam.

Os SMPSs geralmente incluem recursos de segurança, como limitação de corrente ou um circuito de alavanca para ajudar a proteger o dispositivo e o usuário contra danos.^[2]

No caso de ser detectado um consumo anormal de energia de alta corrente, a fonte comutada pode assumir que é um curto direto e se desligará antes que o dano seja causado. As fontes de alimentação do PC geralmente fornecem um sinal de boa alimentação para a placa-mãe; a ausência deste sinal impede a operação quando houver tensões de alimentação anormais.

Alguns SMPSs têm um limite absoluto em sua saída de corrente mínima.^[3] Eles só são capazes de produzir acima de um certo nível de potência e não podem funcionar abaixo desse ponto. Em uma condição sem carga, a frequência do circuito de fatiamento de energia aumenta a grande velocidade, fazendo com que o transformador isolado atue como uma bobina de Tesla, causando danos devido aos picos de energia de alta tensão resultantes. As fontes comutadas com circuitos de proteção podem ligar brevemente, mas depois desligar quando nenhuma carga for detectada. Uma carga fictícia de baixa potência muito pequena, como um resistor de potência de cerâmica ou uma lâmpada de 10 watts, pode ser conectada à fonte para permitir que ela funcione sem carga primária conectada.

As fontes de alimentação comutadas usadas em computadores têm historicamente fatores de potência baixos e também têm sido fontes significativas de interferência de linha (devido a harmônicos e transientes induzidos na linha de alimentação). m fontes de alimentação comutadas simples, o estágio de entrada pode distorcer a forma de onda da tensão de linha, o que pode afetar adversamente outras cargas (e resultar em baixa qualidade de energia para outros clientes da concessionária) e causar aquecimento desnecessário em fios e equipamentos de distribuição. Além disso, os clientes incorrem em contas de eletricidade mais altas ao operar cargas com fator de potência mais baixo. Para contornar esses problemas, algumas fontes de alimentação de modo de comutação de computador executam a correção do fator de potência e podem empregar filtros de entrada ou estágios de comutação adicionais para reduzir a interferência de linha.

Uma fonte de alimentação capacitiva (fonte de alimentação sem transformador) usa a reatância de um capacitor para reduzir a tensão da rede para uma tensão CA menor. Normalmente, a tensão CA reduzida resultante é então retificada, filtrada e regulada para produzir uma tensão de saída CC constante.

A tensão de saída não é isolada da rede. Consequentemente, para evitar a exposição de pessoas e equipamentos a alta tensão perigosa, qualquer coisa conectada à fonte de alimentação deve ser isolada de forma confiável.

O capacitor de redução de tensão deve suportar a tensão total da rede e também deve ter capacitância suficiente para suportar a corrente de carga máxima na tensão de saída nominal. Em conjunto, essas restrições limitam os usos práticos desse tipo de fonte para aplicações de baixa potência.

A função de um regulador de tensão linear é converter uma tensão CC variável em uma tensão CC constante, geralmente específica, mais baixa. Além disso, eles geralmente fornecem uma função de limitação de corrente para proteger a fonte de alimentação e a carga contra sobrecorrente (corrente excessiva e potencialmente destrutiva).

Uma tensão de saída constante é necessária em muitas aplicações de fonte de alimentação, mas a tensão fornecida por muitas fontes de energia variará com as mudanças na impedância da carga. Além disso, quando uma fonte de alimentação CC não regulada é a fonte de energia, sua tensão de saída também varia com a mudança da tensão de entrada. Para contornar isso, algumas fontes de alimentação usam um regulador de tensão linear para manter a tensão de saída em um valor constante, independente de flutuações na tensão de entrada e impedância de carga. Os reguladores lineares também podem reduzir a magnitude da ondulação e do ruído na tensão de saída.

Uma fonte de alimentação CA normalmente pega a tensão de uma tomada de parede (fonte de alimentação) e usa um transformador para aumentar ou diminuir a tensão para a tensão desejada. Alguma filtragem também pode ocorrer. Em alguns casos, a tensão da fonte é igual à tensão de saída; isso é chamado de transformador de isolamento. Outros transformadores de alimentação CA não fornecem isolamento da rede; estes são chamados de autotransformadores; um autotransformador de saída variável é conhecido como variac. Outros tipos de fontes de alimentação CA são projetados para fornecer uma corrente quase constante e a tensão de saída pode variar dependendo da impedância da carga. Nos casos em que a fonte de alimentação é de corrente contínua (como uma bateria de armazenamento de automóvel), um inversor e transformador elevador podem ser usados ​​para convertê-lo em energia CA. A energia CA portátil pode ser fornecida por um alternador alimentado por um motor a diesel ou gasolina (por exemplo, em um canteiro de obras, em um automóvel ou barco, ou geração de energia de backup para serviços de emergência) cuja corrente é passada para um circuito regulador para fornecer um tensão constante na saída. Alguns tipos de conversão de energia CA não usam um transformador. Se a tensão de saída e a tensão de entrada forem iguais e o objetivo principal do dispositivo for filtrar a energia CA, ele pode ser chamado de condicionador de linha. Se o dispositivo for projetado para fornecer energia de reserva, ele pode ser chamado de fonte de alimentação ininterrupta. Um circuito pode ser projetado com um multiplicador de tensãotopologia para intensificar diretamente a alimentação CA; anteriormente, tal aplicação era um receptor de tubo de vácuo AC/DC. No uso moderno, as fontes de alimentação CA podem ser divididas em sistemas monofásicos e trifásicos. As fontes de alimentação CA também podem ser usadas para alterar a frequência, bem como a tensão, muitas vezes são usadas pelos fabricantes para verificar a adequação de seus produtos para uso em outros países. 230 V 50 Hz ou 115 V 60 Hz ou mesmo 400 Hz para testes de aviônicos.

Um adaptador CA é uma fonte de alimentação integrada em um plugue de alimentação CA. Os adaptadores CA também são conhecidos por vários outros nomes, como "plug pack" ou "adaptador plug-in", ou por termos de gíria como "wall wart". Os adaptadores CA normalmente têm uma única saída CA ou CC que é transmitida por um cabo com fio para um conector, mas alguns adaptadores têm várias saídas que podem ser transmitidas por um ou mais cabos. Os adaptadores AC "universais" possuem conectores de entrada intercambiáveis ​​para acomodar diferentes tensões de alimentação AC.

Adaptadores com saídas CA podem consistir apenas em um transformador passivo (mais alguns diodos em adaptadores de saída CC), ou podem empregar circuitos de modo de comutação. Adaptadores AC consomem energia (e produzem campos elétricos e magnéticos) mesmo quando não estão conectados a uma carga; por esta razão, eles são às vezes conhecidos como "vampiros da eletricidade", e podem ser conectados a réguas de energia para permitir que sejam convenientemente ligados e desligados.

Uma fonte de alimentação programável (PPS) é aquela que permite o controle remoto de seu funcionamento através de uma entrada analógica ou interface digital como RS232 ou GPIB. As propriedades controladas podem incluir tensão, corrente e, no caso de fontes de alimentação de saída CA, frequência. Eles são usados ​​em uma ampla variedade de aplicações, incluindo testes automatizados de equipamentos, monitoramento de crescimento de cristais, fabricação de semicondutores e geradores de raios X.

Fontes de alimentação programáveis ​​normalmente empregam um microcomputador integral para controlar e monitorar a operação da fonte de alimentação. As fontes de alimentação equipadas com uma interface de computador podem usar protocolos de comunicação proprietários ou protocolos padrão e linguagens de controle de dispositivos, como SCPI.

Aspectos anterior e posterior de uma fonte de alimentação ininterrupta.

Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) recebe energia de duas ou mais fontes simultaneamente. Geralmente é alimentado diretamente pela rede elétrica CA, enquanto carrega simultaneamente uma bateria de armazenamento. Em caso de queda ou falha da rede, a bateria assume instantaneamente para que a carga nunca sofra uma interrupção. Instantaneamente aqui deve ser definido como a velocidade da eletricidade dentro dos condutores que está um pouco próxima da velocidade da luz. Essa definição é importante porque a transmissão de serviços de dados e comunicações de alta velocidade deve ter continuidade/SEM interrupção desse serviço. Alguns fabricantes usam um quase padrão de 4 milissegundos. No entanto, com dados de alta velocidade, mesmo 4 ms de tempo na transição de uma fonte para outra não é rápido o suficiente. A transição deve ser feita em um break antes do método make. O UPS que atende a esse requisito é chamado de UPS Verdadeiro ou UPS Híbrido. A quantidade de tempo que o UPS fornecerá geralmente é baseada em baterias e em conjunto com geradores. Esse tempo pode variar de um mínimo de 5 a 15 minutos a horas ou mesmo dias. Em muitas instalações de computadores, o tempo gasto nas baterias é suficiente para dar aos operadores tempo para desligar o sistema de forma ordenada. Outros esquemas de UPS podem usar um motor de combustão interna ou turbina para fornecer energia durante uma queda de energia elétrica e a quantidade de tempo da bateria depende de quanto tempo leva para o gerador estar em linha e da criticidade do equipamento servido. Tal esquema é encontrado em hospitais, data centers, call centers, sites de celular e centrais telefônicas.

Uma fonte de alimentação de alta tensão é aquela que produz centenas ou milhares de volts. Um conector de saída especial é usado para evitar arcos, quebra de isolamento e contato humano acidental. Os conectores Federal Standard são normalmente usados ​​para aplicações acima de 20 kV, embora outros tipos de conectores (por exemplo, conector SHV) possam ser usados ​​em tensões mais baixas. Algumas fontes de alimentação de alta tensão fornecem uma entrada analógica ou interface de comunicação digital que pode ser usada para controlar a tensão de saída. Fontes de alimentação de alta tensão são comumente usadas para acelerar e manipular feixes de elétrons e íons em equipamentos como colunas geradoras de raios-x, microscópios eletrônicos e feixe de íons focalizado, e em uma variedade de outras aplicações, incluindo eletroforese e eletrostática.

Fontes de alimentação de alta tensão normalmente aplicam a maior parte de sua energia de entrada a um inversor de potência, que por sua vez aciona um multiplicador de tensão ou uma alta relação de espiras, transformador de alta tensão ou ambos (geralmente um transformador seguido por um multiplicador) para produzir alta tensão. A alta tensão é passada para fora da fonte de alimentação através do conector especial e também é aplicada a um divisor de tensão que a converte em um sinal de medição de baixa tensão compatível com circuitos de baixa tensão. O sinal de medição é usado por um controlador de malha fechada que regula a alta tensão controlando a potência de entrada do inversor, e também pode ser transportado para fora da fonte de alimentação para permitir que circuitos externos monitorem a saída de alta tensão.

Uma fonte de alimentação bipolar opera em todos os quatro quadrantes do plano cartesiano de tensão/corrente, o que significa que irá gerar tensões e correntes positivas e negativas conforme necessário para manter a regulação.^[4] Quando sua saída é controlada por um sinal analógico de baixo nível, ele é efetivamente um amplificador operacional de baixa largura de banda com alta potência de saída e cruzamentos de zero contínuos. Este tipo de fonte de alimentação é comumente usado para alimentar dispositivos magnéticos em aplicações científicas.^{[exemplo necessário]}

A adequação de uma fonte de alimentação específica para uma aplicação é determinada por vários atributos da fonte de alimentação, que normalmente são listados na especificação da fonte de alimentação. Os atributos normalmente especificados para uma fonte de alimentação incluem:

• Tipo de tensão de entrada (CA ou CC) e faixa
• Eficiência de conversão de energia
• A quantidade de tensão e corrente que pode fornecer à sua carga
• Quão estável é sua tensão ou corrente de saída sob condições variáveis ​​de linha e carga
• Quanto tempo pode fornecer energia sem reabastecer ou recarregar (aplica-se a fontes de alimentação que empregam fontes de energia portáteis)
• Faixas de temperatura de operação e armazenamento

Abreviaturas comumente usadas nas especificações da fonte de alimentação:

• SCP - Proteção contra curto-circuito
• OPP - Proteção de sobrecarga (sobrecarga)
• OCP - Proteção de sobrecorrente
• OTP - Proteção contra sobretemperatura
• OVP - Proteção contra sobretensão
• UVP - Proteção contra subtensão

A fonte de alimentação de um sistema elétrico tende a gerar calor. Quanto maior a eficiência, mais calor é retirado da unidade. Há muitas maneiras de gerenciar o calor de uma fonte de alimentação. Os tipos de resfriamento geralmente se dividem em duas categorias – convecção e condução. Os métodos comuns de convecção para resfriamento de fontes de alimentação eletrônicas incluem fluxo de ar natural, fluxo de ar forçado ou outro fluxo de líquido sobre a unidade. Os métodos comuns de resfriamento por condução incluem dissipadores de calor, placas frias e compostos térmicos.

As fontes de alimentação geralmente têm proteção contra curto-circuito ou sobrecarga que podem danificar a fonte ou causar um incêndio. Fusíveis e disjuntores são dois mecanismos comumente usados ​​para proteção contra sobrecarga.^[5]

Um fusível contém um pequeno pedaço de fio que derrete se fluir muita corrente. Isso efetivamente desconecta a fonte de alimentação de sua carga e o equipamento para de funcionar até que o problema que causou a sobrecarga seja identificado e o fusível seja substituído. Algumas fontes de alimentação usam um fio muito fino soldado como fusível. Os fusíveis em unidades de fonte de alimentação podem ser substituídos pelo usuário final, mas os fusíveis em equipamentos de consumo podem exigir ferramentas para acesso e troca.

Um disjuntor contém um elemento que aquece, dobra e aciona uma mola que desliga o circuito. Uma vez que o elemento esfria e o problema é identificado, o disjuntor pode ser reiniciado e a energia restaurada.

Algumas PSUs usam um corte térmico enterrado no transformador em vez de um fusível. A vantagem é que permite que uma corrente maior seja extraída por um tempo limitado do que a unidade pode fornecer continuamente. Alguns desses recortes são de reinicialização automática, outros são de uso único.

Alguns suprimentos usam limitação de corrente em vez de cortar a energia se sobrecarregados. Os dois tipos de limitação de corrente usados ​​são limitação eletrônica e limitação de impedância. O primeiro é comum em PSUs de bancada de laboratório, o último é comum em fontes de menos de 3 watts de saída.

Um limitador de corrente foldback reduz a corrente de saída para muito menos do que a corrente máxima sem falha.

As fontes de alimentação são um componente fundamental de muitos dispositivos eletrônicos e, portanto, usadas em uma ampla gama de aplicações. Esta lista é uma pequena amostra das muitas aplicações das fontes de alimentação.

Ver artigo principal: Unidade de fonte de alimentação (computador)

Uma fonte de alimentação de computador moderna é uma fonte de alimentação comutada que converte a energia CA da fonte de alimentação em várias tensões CC. Os suprimentos de modo de comutação substituíram os suprimentos lineares devido a melhorias de custo, peso, eficiência e tamanho. A coleção diversificada de tensões de saída também possui requisitos de consumo de corrente amplamente variados.

Os veículos elétricos são aqueles que dependem da energia gerada através da geração de eletricidade. Uma unidade de fonte de alimentação faz parte do projeto necessário para converter a energia da bateria do veículo de alta tensão.

A soldagem de arco usa eletricidade para unir metais, derretendo-os. A eletricidade é fornecida por uma fonte de alimentação de soldagem e pode ser AC ou DC. A soldagem a arco requer altas correntes normalmente entre 100 e 350 amperes. Alguns tipos de soldagem podem usar apenas 10 amperes, enquanto algumas aplicações de soldagem a ponto empregam correntes de até 60.000 amperes por um tempo extremamente curto. As fontes de alimentação de soldagem consistiam em transformadores ou motores acionando geradores; equipamentos de soldagem modernos usam semicondutores e podem incluir controle por microprocessador.

Ambos os sistemas aviônicos comerciais e militares requerem uma fonte de alimentação DC-DC ou AC/DC para converter energia em tensão utilizável. Estes podem frequentemente operar a 400 Hz no interesse da economia de peso.

Isso se refere a transportadores, linhas de montagem, leitores de código de barras, câmeras, motores, bombas, fabricação de semi-fabricados e muito mais.

Estes incluem ventiladores, bombas de infusão, instrumentos cirúrgicos e odontológicos, imagens e leitos.

O Wikilivros tem um livro chamado Como montar um computador/Escolhendo as peças#Fonte de alimentação

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• Alta tensão
• Regulador de tensão
• APM

Referências

• Load Power Sources for Peak Efficiency, James Colotti, EDN 1979 October 5

• Portal da eletrônica