Você provavelmente está usando um smartphone, laptop ou computador pessoal diariamente. Esses dispositivos eletrônicos usam corrente contínua (CC) para funcionar. No entanto, como as residências são normalmente alimentadas por correntes alternadas (CA) de alta tensão, você precisará para diminuir a tensão e converter CA em CC usando uma fonte de alimentação, como sua fonte de alimentação ou carregador.
As fontes de alimentação mais comuns usadas atualmente são as fontes de alimentação linear e chaveada. Saber qual deles usar para aplicações específicas manterá seus eletrônicos seguros e funcionando de maneira ideal.
Continue lendo abaixo para uma comparação entre fontes de alimentação lineares e chaveadas.
O que são fontes de alimentação lineares e chaveadas?
Fontes de alimentação lineares e comutadas são dispositivos elétricos usados para alimentar e carregar dispositivos eletrônicos DC. Esses dispositivos têm a tarefa de fazer duas coisas: diminuir a tensão e converter CA em CC. Embora ambos os dispositivos reduzam e retifiquem a energia, a diferença em como eles realizam essas tarefas os torna mais adequados para determinadas aplicações.
Uma fonte de alimentação linear é um dispositivo usado em operações de baixo ruído e precisão. Seu uso de transformadores pesados e filtros analógicos permite que esta fonte de alimentação produza tensões limpas ao custo de baixa eficiência, maior peso e tamanho maior. Fontes de alimentação lineares são mais usadas em equipamentos de gravação, instrumentos musicais elétricos, equipamentos médicos e ferramentas de medição de laboratório de alta precisão.
Uma fonte de alimentação de comutação ou modo de comutação (SMPS) é usada para operações de alta eficiência e alta corrente. Ao contrário das fontes de alimentação lineares, as fontes de alimentação comutadas empregam o uso de componentes de estado sólido para modular e regular as tensões de entrada. Essas fontes de alimentação contam com comutação de alta frequência usando transistores de potência, tornando-as barulhentas, mas altamente eficientes em termos de consumo de energia, leves e compactas. As fontes de alimentação comutadas são frequentemente usadas em computadores, carregadores de telefone, equipamentos de fabricação e muitos dispositivos eletrônicos de baixa tensão.
Como funciona uma fonte de alimentação linear
Usando componentes puramente analógicos disponíveis nos anos 50, as fontes de alimentação lineares dependiam de transformadores de potência pesados e capacitores eletrolíticos volumosos para diminuir e retificar as tensões. Embora os transistores já fossem produzidos em massa na época, altas tensões CA simplesmente produziam muito calor para os transistores suportarem.
Aqui está um esquema de uma fonte de alimentação linear:
Uma fonte de alimentação linear funciona em três etapas:
Passo 1: Diminua a alta tensão AC de entrada através do uso de um transformador.
Passo 2: A tensão reduzida então passa por um retificador de ponte completa, que retifica a tensão CA para tensões CC pulsantes.
Etapa 3: Os sinais de tensão DC pulsantes passam por um filtro composto por indutores e capacitores. Este filtro de suavização remove as flutuações de sinal de uma tensão CC pulsante, tornando-os utilizáveis para dispositivos eletrônicos delicados.
Como funciona uma fonte de alimentação chaveada
Fontes de alimentação comutadas são dispositivos complexos que usam componentes de estado sólido para fazer comutação de energia de alta frequência e um transformador de núcleo de ferrite menor. Esses tipos de fontes de alimentação podem aumentar e diminuir as tensões usando um loop de realimentação CC para controlar as tensões de saída.
Veja como eles funcionam:
Passo 1: A CA de alta tensão entra na fonte de alimentação através de um módulo de proteção do circuito composto por um fusível e um filtro EMC. O fusível é para proteção contra sobretensão e o filtro EMC protege o circuito das ondulações de sinal provenientes da CA não filtrada.
Passo 2: Depois de certificar-se de que o circuito está bem protegido, a CA de alta tensão passa pelo segundo módulo composto por um retificador de ponte completa e capacitor de suavização. O retificador de ponte completa converte CA em CC pulsante, que é então suavizada por um capacitor.
Etapa 3: A CC de alta tensão é então enviada por meio de um driver PWM, que recebe feedback e controla um MOSFET de potência que regula a tensão por meio de comutação de alta frequência. A comutação também transforma a corrente contínua direta em uma onda quadrada.
Passo 4: A onda quadrada DC agora entra em um transformador de núcleo de ferrite, transformando os sinais de volta em ondas quadradas AC.
Passo 5: As ondas quadradas AC passam por uma ponte retificadora, convertendo o sinal em DC pulsante e, em seguida, passando por um filtro de suavização. A saída final é então usada para enviar sinais para o driver PWM, que faz um loop de feedback que regula as tensões de saída.
Linear vs. Fontes de alimentação de comutação
Existem diferentes razões pelas quais uma fonte de alimentação é escolhida para ser usada em aplicações específicas. Isso geralmente inclui eficiência, ruído, confiabilidade e reparabilidade, tamanho, peso e custo. Agora que você tem uma ideia geral de como eles funcionam, veja como a forma como eles processam a energia afeta o desempenho e a usabilidade em determinados aplicativos.
Eficiência
Como a eletricidade tem que passar por uma série de componentes elétricos e eletrônicos, o processo de retificação e regulação de tensões sempre terá ineficiências. Mas quanto?
Dependendo de como são classificadas, as fontes de alimentação chaveadas podem ter uma eficiência de 80 a 92%. Isso significa que seu dispositivo pode produzir de 80 a 92% da energia que você colocou neles. Sua eficiência vem do uso de componentes menores, mas eficientes, que regulam as tensões por meio de comutação de baixa tensão de alta frequência.
Em contraste, uma fonte de alimentação linear pode ser apenas 50 - 60% eficiente em termos de energia devido ao uso de componentes maiores e menos eficientes.
Ruído de Sinal e Ripple
Embora ineficientes, as fontes de alimentação lineares compensam suas ineficiências por meio de suas saídas de sinal estáveis, limpas e de baixo ruído. O uso de componentes analógicos de uma fonte de alimentação linear permite que eles processem a eletricidade de maneira suave e sem comutação, o que torna sua saída com baixa ondulação ou baixo ruído.
Por outro lado, as fontes de alimentação comutadas dependem da comutação de alta frequência de baixas tensões para reduzir o calor, ter maior eficiência e produzir muito ruído! A quantidade de ruído do sinal depende do design e da qualidade da fonte de alimentação específica do modo de comutação.
Tamanho e peso
O tamanho e o peso de uma fonte de alimentação podem afetar fortemente sua aplicação em dispositivos eletrônicos menores. Como as fontes de alimentação lineares usam componentes pesados e volumosos, seu uso em dispositivos eletrônicos discretos é impossível, a menos que você use a fonte de alimentação como carregador.
Já as fontes de alimentação chaveadas, por utilizarem componentes pequenos e leves, podem ser projetadas para serem pequenas o suficiente para serem integradas a dispositivos já menores. O baixo peso e o tamanho pequeno de uma fonte de alimentação chaveada, combinados com sua eficiência de energia, são o que a torna aplicável à grande maioria dos dispositivos eletrônicos portáteis.
Confiabilidade e Reparabilidade
Com peças menores que podem quebrar durante a operação, as fontes de alimentação lineares oferecem saídas consistentes e confiáveis. A simplicidade no design e uso de componentes eletrônicos mais comuns torna mais fácil para as pessoas obter peças e reparar suprimentos lineares.
Tendo componentes mais delicados significativamente, a troca de fontes de alimentação tem maior probabilidade de quebrar antes que uma fonte de alimentação linear. No entanto, um bom design e o uso de componentes de qualidade podem tornar as fontes de alimentação chaveadas muito confiáveis, talvez até tão confiáveis quanto as fontes de alimentação lineares. O verdadeiro problema com a troca de fontes de alimentação é que elas são cada vez mais difíceis de reparar quanto mais complexo for o seu design.
Custo-benefício
No passado, as fontes de alimentação lineares eram os dispositivos mais econômicos devido ao seu design simples e ao uso de componentes menores. Também não ajudou o fato de a fabricação de componentes de semicondutores ser cara. No entanto, com semicondutores sendo mais procurados, os fabricantes conseguiram escalar e fabricar componentes de estado sólido exponencialmente mais baratos do que antes. Isso, por sua vez, torna muitos projetos de fontes de alimentação chaveadas mais econômicos do que as fontes de alimentação lineares.
Usando a fonte de alimentação apropriada
Isso é tudo o que você precisa saber sobre fontes de alimentação lineares e comutadas. Para garantir a segurança de seus dispositivos eletrônicos, use sempre os carregadores originais que acompanham o dispositivo, mas se não estiverem disponíveis, você sempre pode comprar um adaptador de energia.
Antes de comprar, lembre-se de que as fontes de alimentação lineares são ideais para eletrônicos usados em aplicações de precisão, como instrumentos musicais elétricos, rádios e ferramentas médicas, enquanto as fontes de alimentação comutadas são usadas para situações de alta eficiência, como fontes de alimentação de computador, carregadores e iluminação.