Fontes chaveadas

Uma fonte chaveada ou comutada (em língua inglesa switched-mode power supply (SMPS), é uma unidade de fonte de alimentação eletrônica que incorpora um regulador chaveado, ou seja; um circuito controlador interno que chaveia (comuta) a corrente, ligando e desligando rapidamente, de forma a manter uma tensão de saída estabilizada. Reguladores chaveados são utilizados para substituição de reguladores lineares mais simples, quando uma eficiência maior, menor tamanho e maior leveza são requiridos. Eles, entretanto, são mais complexos e mais caros, e o chaveamento da corrente pode causar problemas de ruído (tanto eletromagnético quanto sonoro) se não forem cuidadosamente suprimidos, e projetos simples podem ter baixo fator de potência.

As fontes chaveadas podem ser classificadas de acordo com a forma de onda da tensão de entrada e de saída conforme segue:

• Entrada CA, saída CC: retificador
• Entrada CC, saída CC: conversor de tensão, ou conversor de corrente ou conversor CC/CC
• Entrada CA, saída CA: Conversor de freqüência, cicloconversor
• Entrada CC, saída CA: inversor

Vista interna de uma Fonte Chaveada ATX comum em computadores. A - retificador em ponte  B - capacitores de filtro de entrada
 C - transformador  D - indutores de filtro de saída  E - capacitores de filtro de saída

Fonte chaveada comparada com fonte linear

Duas principais fontes de alimentação são disponíveis: fonte chaveada e a fonte linear. As razões para a escolha de um tipo ou outra pode ser resumida como segue abaixo:

• Tamanho e peso. Fontes de alimentação linear utilizam um transformador operando na freqüência de 50/60 Hz e filtros de linha. Esses componentes são maiores e mais pesados que os correspondentes ao de uma fonte chaveada, que opera em alta frequências.
• Eficiência. Fontes lineares regulam sua tensão de saída criando uma tensão mais alta que a necessária e então reduzindo-a, convertendo parte dessa energia elétrica em calor. Essa perda é numa parte necessária para o funcionamento do circuito e não pode ser eliminada para melhoria do projeto. Fontes chaveadas não criam tensões maiores que a necessária e apenas pequenas quantidades de energia são dissipadas.
• Potência dissipada. Esta é determinada pela eficiência supracitada. Fontes lineares produzem muito mais calor do que as chaveadas.
• Complexidade. Fontes lineares são simples o suficiente para serem projetadas por iniciantes. Fontes chaveadas são complicadas, difícil de projetá-las, e o grande número de componentes faz com que seja mais cara para montá-la e para repará-la.
• Ruído. Existe o chaveamento da corrente em fontes chaveadas que contêm energia em altas frequências ao contrário das fontes lineares. Isto é devido ao seu oscilador interno operando em torno de 60 kHz. Essa energia em alta freqüência, na faixa de RF (rádio freqüência), facilmente irradia indução eletromagnética aos equipamentos próximos, ou como as ondas de rádio em longas distâncias, causam interferência. Por isso, deve-se tomar cuidado para eliminar essa energia na fonte através de filtros e um bom projeto eletrônico, e/ou contê-las através de blindagem.Existe também o problema do ruído sonoro, já que por questões de tamanho fontes chaveadas costumam usar ventoinhas e ventiladores para resfriar os dissipadores de calor, que seriam bem maiores se assim não o fossem ( obs: um outro tipo de ruído é o som do chaveamento de alta frequência da fonte, fora da faixa audível humana, e que normalmente não incomoda).
• Fator de potência. Se a corrente utilizada por uma carga, tal como uma fonte chaveada, retirada de uma fonte CA não for senoidal e/ou fora de fase com forma de onda da rede, então o fator de potência será menor que o unitário, diminuindo a eficiência e a capacidade da linha de transmissão consideravelmente. As mais simples e mais comuns fontes chaveadas possuem fator de potência em torno de 0,6 , e seu uso crescente em microcomputadores e lâmpadas fluorescentes compactas apresenta um problema em ascensão (seu uso também esta presente em todos os aparelhos de televisão dos últimos quinze anos e nos novos aparelhos de Lcd). Os circuitos de correção de fator de potência podem reduzir este problema, sendo obrigados por normas em certos países.
• Risco de choque elétrico. Uma fonte chaveada simples trabalha em seus circuitos de entrada diretamente ligada a rede elétrica sem isolação, diferente de uma fonte linear que usa fusíveis e fios isolados antes do transformador, com menor risco de choque. Por isso o perigo para quem repara ou eventuais curiosos que retiram a tampa das fontes. Choques, mesmos pequenos, podem ser perigosos a vida. Observe que alguns tipos de fontes chaveada mantém a carga em seus capacitores, mesmo depois de desligadas da rede elétrica, ou seja; você pode levar um choque carregando uma placa dessas sem a tampa na mão, algo que gira em torno de 300 volts!

Componentes principais das fontes chaveadas

Exemplo de um esquema eletrônico de uma fonte chaveada:

A tensão de +B (neste caso 48Vin) passa pelo primário do T1, chamado de transformador chaveador ou "chopper" com núcleo de ferrite, e chega até o dreno do mosfet Q1. R1 alimenta o pino 5 do CI U1 e a partir daí ele gera uma onda quadrada chamada PWM de alguns KHz. Este sinal vai ao gate de Q1 fazendo-o ligar e desligar milhares de vezes por segundo. Quando Q1 conduz, passa corrente pelo primário de T1 e ele produz um campo magnético. Quando Q1 corta, a energia magnética armazenada no T1 induz uma tensão no secundário. Tal tensão é retificada por um diodo de comutação rápida "schottky" D2, filtrada por L2, C5 e C9 resultando num +B de 5 V de excelente qualidade. D1 retifica a tensão no outro secundário de T1 para manter o pino 5 do CI alimentado com tensão correta de funcionamento dele após o disparo da fonte pelo R1. D3, R11 e C10 amortecem os picos de tensão gerados pelo primário de T1 durante o chaveamento de Q1. os componentes no pino 1 do CI formam um circuito de proteção para parar a fonte quando houver um curto na linha de +B. Então este é o princípio de funcionamento da fonte chaveada: há um transformador chopper de ferrite para gerar as tensões, um transistor chaveador comum ou mosfet, um circuito oscilador podendo ser um CI ou outros transistores e diodos shottky (rápidos) para retificar as tensões de saída. Às vezes o mosfet pode vir dentro do CI dependendo do tipo da fonte.