Como Funcionam as fontes de alimentação Chaveadas - SMPS - ATX

Fig. 1 - Como Funcionam as fontes de alimentação Chaveadas - SMPS - ATX

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As fontes chaveadas ATX, apresentam algumas características interessantes se comparado com as fontes comutadas padrões SMPS, sigla do Inglês (Switched Mode Power Supply).

Nas fontes ATX, existem tensões de saídas distintas, são eles: +12V, +5V, +3.3V, -12V, -5V e 5VSB. Existem algumas variações nesses tipos de fontes, porém no contexto geral, o padrão é esse.

O modo de funcionamento das SMPS são praticamente os mesmos. Eles controlam a tensão de saída, abrindo e fechando o circuito comutador, de modo a manter pelo tempo de abertura e fechamento deste circuito, ou seja, a largura dos pulsos e suas frequências, para obterem a tensão desejada.

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Existem processos com funções independentes separados para que tudo venha a funcionar harmoniosamente. Então vamos ver o diagrama modular para destrinchar etapas desses processos, para que possamos passo a passo melhor entender. 

Esse é o bloco em módulos dividido por etapas, para melhorar o nosso entendimento.

Fig. 2 - Diagrama de Bloco Fonte de Alimentação Chaveada - SMPS - ATX

Existem 10 etapas básicas para o funcionamento de uma fonte ATX, existem outros módulos subjacentes que estão intrínsecos nas etapas, mas, não vamos entrar tão a fundo, pois ficaria extremamente grande esse Post.

Fizemos também um vídeo explicativo com detalhes que você pode estar conferindo no vídeo em nosso canal do YouTube logo abaixo.

Então vamos entender essas etapas:

1° Etapa – Filtro de Transiente 

É por essa etapa que a tensão vinda da sua rede, seja 110V ou 220V AC deverá entrar, e claro, exite uma chave para comutação da escolha da sua rede de energia. 

Essa tensão passa por uma proteção básica, o fusível, que se por ventura alguma etapa adiante entre em curto, o fusível se abre, evitando estourar tudo pela frente.

Na mesma linha e entrada, em série com todo o circuito, temos o NTC que é uma sigla do inglês (Negative Temperature Coefficient) que em uma tradução livre seria: Coeficiente Negativo de Temperatura.

Fig. 3 - Filtro de Transientes e proteção fonte ATX

Ele é um limitador da corrente de surto, em série com o circuito elétrico, nele o valor da resistência ôhmica diminui à medida que a sua temperatura se eleva, sua resistência inicial é aproximadamente 15 Ohms, o que podemos entender pela lei de Ohms, as vantagens que se tem em usar ele em série, depois que a fonte liga ele baixa sua resistência para aproximadamente 0.5 Ohms.

Também existe, as bobinas filtros contra EMI, essas servem para evitar os ruídos de alta frequência e uma enorme quantidade de harmônicas geradas pelos chaveadores que podem se propagar pela rede elétrica e causar interferências em equipamentos eletrônicos próximos.

Existem ainda dois tipos de capacitores um pouco diferente, utilizados para eliminar ou reduzir dois tipos de ruídos, esses capacitores são denominados CX e CY, ou seja; Capcitores Classe X e Classe Y.

Os capacitores de Classe X - (CX), "que não tem nessa fonte que usamos como modelo", são utilizados para redução do ruído diferencial, são ligados na entrada de alimentação da fonte, ou seja, entre fase-neutro.

Os capacitores de Clasee Y - (CY), são utilizados para redução dos ruídos em modo comum são ligados entre Fase-Ground e Neutro-Groundcada.

2° Etapa temos - Retificação Primária

Nessa etapa encontramos a ponte retificadora, que é formado por uma ponte de diodos, ou por um arranjo de quatro diodos interligados de modo a fazer uma ponte de onda completa, como ilustrado na Figura 4 abaixo.

Fig.4 - Ponte de Retificação Primária fonte ATX

Essa ponte de didodo tem função de fazer a retificação de uma tensão AC senoidal advinda da rede elétrica, ou seja, retificar uma corrente elétrica alternada, para corrente elétrica pulsante.

3° Etapa – Filtragem

Após a retificação, temos um sinal pulsante entregue pela ponte retificadora, é necessário estabilizar essa tensão pulsante e transformar em corrente contúnua CC.

Fig. 5 - Filtragem primária fonte ATX

Os capacitores Eletrolíticos tem a função de armazenar tensão que vem da ponte, que quando essa tensão pulsante está em alta, carrega os capacitores, e quando está em baixa, os capacitores mantém essa tensão descarregando-os lentamente, até que a onda pulsante seja reestabelecida carregando novamente os capacitores, e esse ciclo se repete a todo tempo.

Após essa retificação e filtragem, a tensão se eleva para algo em torno de 300Vcc, que são usados nos chaveadores de potência, essa parte é fundamental para a correta estabilização da fonte principalmente se a sua fonte for de alta potência.

4° Etapa - Chaveadores de Potência

Estes chaveadores podem ser do tipo TJB, Transistores Bipolares de Potência, ou transistores MOSFETs, ou qualquer outro tipo, porém, eles se diferenciam dos transistores comuns, pelo tipo de operação em que esses transistores trabalham, na Figura 6 temos a posição e identificação dos transistores no diagrama esquemático e na fonte real.

Fig. 6 - Chaveadores de potência fonte ATX

Esses transistores chaveadores dissipam menor potência que um transistor comum trabalhando em uma fonte linear, pois eles trabalham como uma chave liga/desliga em altas velocidades, dependendo do projeto da fonte, eles sofrem variações que normalmente estão entre 20Khz a 100kHz, eles são diretamente responsáveis pela tensão de saída, e estabilidade dessa tensão, através dos comandos recebidos pelo Circuito de Controle.

5° Etapa - Transformador de Saída

O transformador é um TRANSFORMADOR CHOPPER de Alta frequência, eles trabalham com Corrente Alternada, ao passar pelos chaveadores a tensão será uma onda quadrada do tipo AC, porém com alta frequência, não com a mesma frequência de 60Hz da tensão de entrada, o transformador principal é mostrado no digrama esquemático e na fonte real ATX na Figura 7 abaixo.

Fig. 7 - Transformador Chopper de Alta Frequência fonte ATX

Os chaveadores trabalham com dois níveis distintos, Alto e Baixo, quando se encontra em nível ALTO, a tensão passa por ele normalmente, fazendo surgir um nível de tensão constante na entrada da bobina do transformador, a ação desses transistores, passam do estado ALTO para BAIXO muito rapidamente.

Isso induzirá nos enrolamentos as tensões necessárias de acordo com o enrolamento e a frequência colocada nesses chaveadores.

6° Etapa - Retificador Rápido

Com a tensão gerada pelos chaveadores em alta frequência, é necessário um diodo que atenda essa demanda, para isso utiliza-se os diodos de alta velocidade chamados DIODOS SCHOTTKY ou diodos de recuperação rápida, como ilustrado na Figura 8 abaixo.

Fig. 8 - DIODOS SCHOTTKY - Diodo de recuperação rápida

Utiliza-se esse tipo de didod devido a frequência elevada que é gerado pelo controle PWM do CI controlador, que fica em torno de 20KHZ À 100KHZ, isso a depender do tipo de fonte, e os diodos comuns não seriam capazes de trabalhar com essas altas frequências.

7° Etapa – Filtros de Saída

Os filtros são parte fundamenteais em uma fonte de alimentação, caso ocorra falhas nessa etapa, grandes problemas ocorrerão no circuito que será alimentado, esse filtro de saída são compostos basicamente por dois conjunto de componentes, como ilustrado na Figura 9 abaixo.

Fig. 9 - Filtros de Saída fonte ATX

O indutor – Esse componente tem a função de eliminar as harmônicas de alta frequências, para que não trafegarem para os equipamentos que irão ser alimentados, pois imaginem vocês, se essas harmônicas passarem para um microcontrolador por exemplo, poderiam ocasionar acionamentos de cargas indevidas e erros de leitura nos processos de controle.

E os Capacitores – São eles que fazem a filtragem e a estabilização da tensão na saída, evitando os ripples e as instabilidades na saída.

8° Etapa - Transformador Driver

O transformador driver nesse caso, é nada mais nada menos que o responsável por trafegar as informações vindas do Circuito Integrado Controlador, através de um conjunto de transistores alimentadores, ele é que habilitam os transistoes chaveadores de potência, como ilustrado na Figura 10 abaixo.

Fig. 10 - Transformador Driver isolador fonte ATX

Esse transformador é responsável pelo isolamento ou desacoplamento elétrico entre primário e secundário, nessa topologia, existe um par de transistores de baixa potência que também chaveiam o Trafo Drive recebendo esses pulsos PWM do CI controlador, e passando essa informação para a etapa de potência que nós já vimos na Etapa 4.

9° Etapa - CI Controlador - Controle PWM

O cérebro de uma fonte chaveada é o seu Circuito Integrado controlador PWM, são Circuitos integrados dedicados, para executarem esse trabalho, como ilustrado na Figura 11 abaixo.

Mas, eles não trabalham só, existe também os sensores de corrente, que também variam de fonte para fonte, mas é muito provável que você irá encontrar na sua fonte o CI TL341, ele tem o aspecto de um transistor, mas, não é um transistor, ele é bem popular por seu custo benefício.

Fig. 11 - Circuito Itegrado Controlador PWM Fonte ATX

Este circuito é ligado a saída da fonte, recebe o Feedback e direciona as informações de tensões para o CI que controla o oscilador que gera um sinal retangular cuja largura do pulso é controlada e enviada para o Trafo Drive que envia esses comandos para a etapa de potência.

Se a potência na saída elevar a tensão tender a cair, o circuito ativa a correção instantânea na largura de pulso dos transistores chaveadores e a tensão mantém estabilizada.

10° Etapa – Fonte primária VSB

VSB – Significa: Voltage Standby, ou seja tensão de espera, tecnicamente é uma fonte que mantem ativa a sua saída, sempre que o cabo de força da fonte estiver conectado à rede elétrica, sua capacidade é de aproximadamente 2 Ampères, e isso depende da potência total da fonte, essa linha de tensão ativa, é para manter os circuito de standby ativos.

Fig. 12 - Fonte Primária VSB +5V 2A

Essa fonte é de extrema necessidade para quando for ativado o botão de ligar a fonte, através do PSON, que é o start da fonte, daí então o oscilador passa a ativar a etapa de potência, essa linha também alimenta o hardware das placas mães para ativação de periféricos via software, teclado, rede e etc..

E por hoje é só, espero que tenham gostado!

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