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.TEORIA GERAL DAS FONTES DE ALIMENTAÇÃO LINEARES 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.
Classificação geral
Funcional 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.
Embalagem
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.
Método de conversão de energia 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.
Tipos Fontes de alimentação CC 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.
Fonte de alimentação linear
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.
Fonte de alimentação comutada 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.Quoting US patent #4937722, High efficiency direct coupled switched mode power supply: The power supply can also include crowbar circuit protecting it against damage by clamping the output to ground if it exceeds a particular voltage.
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.Quoting US Patent #5402059: A problem can occur when loads on the output of a switching power supply become disconnected from the supply. When this occurs, the output current from the power supply becomes reduced (or eliminated if all loads become disconnected). If the output current becomes small enough, the output voltage of the power supply can reach the peak value of the secondary voltage of the transformer of the power supply. This occurs because with a very small output current, the inductor in the L-C low-pass filter does not drop much voltage (if any at all). The capacitor in the L-C low-pass filter therefore charges up to the peak voltage of the secondary of the transformer. This peak voltage is generally considerably higher than the average voltage of the secondary of the transformer. The higher voltage which occurs across the capacitor, and therefore also at the output of the power supply, can damage components within the power supply. The higher voltage can also damage any remaining electrical loads connected to the power supply. 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.
Fonte de alimentação capacitiva (sem transformador) 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.
Regulador linear