Uma fonte de alimentação é um dispositivo elétrico que fornece energia a uma ou mais cargas elétricas. Sua principal função é adaptar a energia elétrica à carga, convertendo a energia da fonte elétrica para a corrente, tensão e frequência correspondentes exigidas pela carga. As fontes de alimentação também fornecem proteção à carga alimentada, limitando a corrente de carga e desligando-a em caso de falha. Esses dispositivos também modificam a potência de saída para evitar ruído eletrônico e fornecer correção do fator de potência.

Neste artigo, explicaremos os diferentes tipos de fontes de alimentação e examinaremos por que as fontes de alimentação sem ventoinha podem oferecer o melhor desempenho.

Reguladores Lineares e SMPSs

As fontes de alimentação podem ser divididas em dois tipos principais: fontes reguladas lineares e fontes chaveadas (SMPS).

Os reguladores lineares convertem corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) estável. Eles usam um transformador para fornecer isolamento galvânico entre a entrada CA de alta tensão e a saída CC de baixa tensão, para filtrar o ruído da entrada e para reduzir a tensão CA de entrada, a qual é então retificada para gerar a tensão CC de saída. As fontes de alimentação reguladas lineares têm baixa eficiência (30-60 por cento), o que significa mais perdas de energia e calor a dissipar.

As fontes chaveadas têm alta eficiência (mais de 80 por cento) e desempenho avançado. As SMPSs convertem a tensão da rede de entrada em uma tensão CA de alta frequência, e então a reduzem para uma tensão mais baixa usando um pequeno transformador. A tensão é então retificada, filtrada e regulada para ser gerada como uma tensão CC estável.

As SMPSs têm um design mais complexo e um custo maior em comparação com os reguladores lineares. No entanto, apresentam inúmeras vantagens em relação a estes, incluindo tamanhos reduzidos e eficiência muito alta sem dissipar quantidades excessivas de calor.

A Importância da Eficiência da Fonte de Alimentação

A eficiência da fonte de alimentação é a razão percentual entre a potência total de saída e a potência de entrada, normalmente especificada em carga plena e tensão de entrada nominal:

Por exemplo, se a fonte de alimentação tem 50 por cento de eficiência e a potência de carga solicitada é de 100W, a potência total de entrada precisa ser de 200W. Os outros 50 por cento da potência de entrada são desperdiçados, principalmente na forma de calor, e precisam ser dissipados adequadamente para evitar danos à unidade. Isso mostra a importância das fontes de alimentação de alta eficiência. Elas apresentam perdas significativamente menores, o que significa que permanecem mais frias e utilizam menos energia da rede para fornecer a mesma potência de saída.

As fontes de alimentação não têm eficiência constante, pois ela depende das condições ambientais e de carga. Geralmente, as fontes de alimentação atingem a máxima eficiência quando operadas em 50 por cento da carga nominal. As fontes de alimentação têm maior eficiência quando alimentadas com 230V do que com 110V CA. Atualmente, o mercado oferece modelos avançados que podem operar com eficiência constantemente alta mesmo na faixa de 50-100 por cento da carga nominal. Por exemplo, o diagrama da Figura 1 mostra a curva de eficiência da série MEAN WELL UHP-2500 em relação à tensão de alimentação e à carga. 

Não é possível atingir uma eficiência de fonte de alimentação de 100 por cento. No entanto, com um design avançado e componentes adequados, altas eficiências são possíveis (por exemplo, a MEAN WELL UHP-2500 na Figura 1 tem eficiência de até 96 por cento). As perdas nas fontes de alimentação são causadas por componentes passivos e ativos e ocorrem mais em fontes lineares do que em SMPSs. As perdas de potência das SMPSs ocorrem principalmente nos dispositivos de chaveamento (MOSFETs e diodos). Outras perdas são causadas pelos capacitores e indutores (isso pode ser reduzido se forem usados componentes avançados de baixa resistência, que geralmente são caros). As perdas de componentes passivos incluem perdas em resistores (I2R), perdas em capacitores e perdas em indutores devido à indução do núcleo e do enrolamento. As perdas de componentes ativos são causadas principalmente por MOSFETs e diodos como perdas de condução e chaveamento.

Embora as SMPSs possam ser mais caras, sua alta eficiência economiza custos com eletricidade. Elas também são mais confiáveis, produzem menos ruído e exigem menos resfriamento. Utilizam componentes de alta qualidade, como dispositivos de chaveamento, capacitores robustos e indutores com boas características. Produzem uma tensão de saída melhor com baixo ripple, menos ruído e menos calor, além de fornecerem melhor regulação de tensão.

Métodos de Resfriamento de Fontes de Alimentação

As fontes de alimentação geram calor que pode danificar os componentes do circuito. Por isso, as fontes de alimentação precisam ter um sistema de resfriamento para dissipar o excesso de calor. Estes são os métodos de condução térmica ou resfriamento mais comumente utilizados:

1. O fluxo de ar natural é um método simples de resfriamento por convecção, no qual o ar flui naturalmente e transfere calor para longe do dispositivo. O fluxo de ar natural é uma opção de resfriamento simples e de baixo custo que não inclui componentes mecânicos adicionais. Como esse tipo de resfriamento tem baixa capacidade de dissipação de calor, as fontes de alimentação que o utilizam têm sua faixa segura de temperatura de operação limitada.
2. O resfriamento por ar forçado envolve um ou mais ventiladores para melhorar o fluxo de ar natural, permitindo temperaturas de operação mais altas. Como consomem energia adicional, os ventiladores reduzem a eficiência da fonte de alimentação. Eles também exigem manutenção e substituições regulares. Esse tipo de resfriamento não é prático para aplicações com espaço limitado.
3. Os dissipadores de calor transferem calor por contato direto com um componente mais frio, que pode ser um dissipador (com aletas) ou uma placa fria (sem aletas). Um dissipador com aletas tem uma área de superfície maior para contato com o ar e, assim, permite uma dissipação de calor mais rápida. Ele é frequentemente combinado com resfriamento por ar forçado para melhor dissipação. No entanto, os dissipadores exigem mais espaço, o que limita seu uso em algumas aplicações. As placas frias são placas metálicas espessas usadas para conduzir calor para longe do dispositivo. Elas são usadas em aplicações onde simplicidade e espaço são parâmetros cruciais.
4. O resfriamento líquido consiste em uma placa fria com um tubo embutido que conduz um circuito fechado de líquido refrigerante. O líquido ajuda a placa base a permanecer em uma temperatura muito estável, tornando a transferência de calor o mais eficiente possível. Como elimina a necessidade de ventiladores, o resfriamento líquido não ocupa muito espaço. O resfriamento líquido tem grande dissipação de calor, não gera ruído nem vibração, e aumenta a vida útil da fonte de alimentação. No entanto, o resfriamento líquido é mais caro, pois exige um design mais complexo. O resfriamento líquido é comumente usado em aplicações que produzem alto calor, como lasers industriais ou estações de carregamento.

As fontes de alimentação resfriadas a líquido podem ser projetadas com potência de saída muito alta. Por exemplo, as fontes de alimentação resfriadas a líquido da MEAN WELL, a série PHP-3500, são capazes de fornecer até 3.500W. Elas também têm uma função de compartilhamento ativo de corrente, permitindo que até quatro unidades em paralelo forneçam até 14.000W.

O vídeo abaixo contrasta a diferença de temperatura entre o resfriamento líquido e o resfriamento por ar forçado de um MOSFET e um capacitor. A temperatura é 6-18°C mais baixa com resfriamento líquido em comparação com o resfriamento por ar forçado.

Embora seja caro, o resfriamento líquido de fontes de alimentação é a solução mais eficaz para aplicações onde o resfriamento por ar forçado não é adequado. Em muitas aplicações, o resfriamento por ar forçado deve ser evitado, já que adicionar um ventilador a uma fonte de alimentação reduz sua confiabilidade, aumenta o custo, gera ruído e introduz dores de cabeça relacionadas à manutenção.

Uma fonte de alimentação sem ventoinha (como a MEAN WELL UHP-2500 na Figura 2 abaixo) evita problemas com falhas de ventiladores e reduz os custos de manutenção. As fontes sem ventoinha também são adequadas para ambientes que exigem silêncio absoluto.

Fontes de Alimentação e Gerenciamento de Energia

O gerenciamento de energia é um recurso importante em todo sistema eletrônico, pois controla, regula e distribui energia CC para o sistema. O gerenciamento de energia afeta a confiabilidade, o desempenho e o custo.

As fontes de alimentação avançadas são equipadas com funções de tensão e corrente programáveis (PV/PC), que permitem o ajuste da tensão de saída entre 50-120 por cento e da corrente entre 20-100 por cento por meio de um sinal de controle CC externo. Além disso, podem ter protocolos de comunicação (por exemplo, PMBus ou CANBus) para alcançar uma fonte de alimentação inteligente. Geralmente, há dois tipos de regulação de saída de fonte de alimentação: interface de sinal analógico externo e interface de controle digital.

A tecnologia de controle por interface de sinal analógico externo usa a tensão externa para controlar a tensão de saída da fonte de alimentação. As fontes de alimentação analógicas são estáveis e confiáveis, mas têm flexibilidade limitada. Embora o status possa ser monitorado, o controle geralmente é limitado a uma única reação possível por parâmetro. A entrada de tensão analógica externa geralmente está na faixa de 1-5V. A corrente de saída pode ser ajustada para 20-100 por cento da corrente nominal aplicando tensão externa. A Figura 3 mostra o diagrama de regulação de corrente de saída usando tensão CC externa.

O controle digital fornece acesso a um alto nível de informações e permite uma saída mais flexível. A tabela abaixo mostra as vantagens do design digitalizado de fontes de alimentação:

O protocolo de comunicação mais utilizado para o controle digital de fontes de alimentação é o PMBus (barramento de gerenciamento de energia). O PMBus é um protocolo aberto de gerenciamento de energia que simplifica o projeto e reduz a complexidade dos sistemas de energia controlados digitalmente. O CANBus (rede de área de controladores) é outro protocolo de comunicação. Ele pode executar a maioria dos comandos e funções do protocolo PMBus; a principal diferença entre eles é o método de sinalização. A escolha entre CANBus e PMBus depende das necessidades específicas da aplicação. A MEAN WELL oferece modelos CANBus opcionais para produtos já integrados ao PMBus.

As fontes de alimentação com protocolo PMBus integrado permitem que o sistema final monitore e controle os vários parâmetros operacionais da fonte de alimentação, como tensão, corrente e temperatura. As fontes de alimentação sem ventoinha combinadas com o protocolo PMBus melhoram bastante a confiabilidade ao longo da vida útil e a flexibilidade de instalação, possibilitando sistemas finais mais compactos e inteligentes. A PHP-3500, por exemplo, suporta PMBus com uma velocidade máxima de barramento de 100kHz, permitindo leitura de informações, monitoramento de status e ajuste de saída.

Para saber mais sobre as vantagens das fontes de alimentação sem ventoinha e do gerenciamento de energia, confira as fontes de alimentação MEAN WELL das séries UHP e PHP.

 

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