Se você tiver um dispositivo móvel ou um laptop, obviamente precisará carregá-lo regularmente em intervalos frequentes. No entanto, alguma vez tocou no carregador durante um ciclo de carregamento? As chances são, se você tiver, então, sem dúvida, notou que o carregador dissipa muito calor, o que é bastante razoável e nada para se preocupar. Antes de entrarmos no motivo pelo qual os carregadores esquentam tanto, devemos fornecer uma visão geral técnica do funcionamento interno dos carregadores usados para telefones celulares e laptops.
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Fonte de alimentação comutada (SMPS)
Os carregadores que usamos para um dispositivo móvel ou laptop não são plugues de parede comuns que fornecem uma conexão entre a fonte de alimentação e o dispositivo. Esse dispositivo é conhecido como SMPS ( Switch Mode Power Supply ), uma fonte de alimentação eletrônica que incorpora um regulador de comutação usado na conversão eficiente de uma fonte de energia elétrica. Normalmente, os SMPS são usados para transformar fontes de alimentação CA ou CC em cargas CC (por exemplo, telefones celulares e laptops), enquanto alteram as características de tensão e corrente. A maneira como faz isso é alternar continuamente entre os estados full on e full off, daí o nome Switch Mode Power Supply. Agora, vamos examinar os diferentes estágios para determinar como o SMPS converte a energia CA em energia CC utilizável para um dispositivo eletrônico.
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Retificador de Entrada e Estágio do Inversor
Quando o SMPS recebe uma entrada CA do suprimento de parede, o foco principal é converter a entrada em DC. Esse processo é conhecido como retificação . O retificador acaba fornecendo uma saída que está na forma de tensão CC não regulada. Esta tensão DC não retificada é então enviada para um capacitor. A corrente extraída da fonte de alimentação principal pelo circuito retificador ocorre em pulsos curtos em torno dos picos de tensão CA. Um SMPS projetado para uma entrada CA também pode ser executado a partir de um suprimento DC, já que o DC passaria pelo retificador inalterado.
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O estágio do inversor do processo envolve a conversão de CC para CA diretamente (se a fonte for um suprimento CC) ou após o estágio de retificação mencionado acima ser concluído, passando-o através de um oscilador de potência. O oscilador de potência consiste em um pequeno transformador de saída que possui poucos enrolamentos. Estes enrolamentos compreendem uma frequência de algumas dezenas a centenas de quilohertz. A frequência selecionada por padrão é principalmente acima de 20 Khz. A ação de comutação constante é realizada por um MOSFET. O transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET, MOS-FET ou MOS FET) é um tipo de transistor de efeito de campo (FET) mais comumente fabricado pela oxidação controlada de silício. Ele tem uma porta isolada, cuja voltagem determina a condutividade do dispositivo. Essa capacidade de alterar a condutividade com base na quantidade de tensão aplicada pode ser usada para amplificar ou comutar sinais eletrônicos. É usado como um transistor capaz de lidar com baixas voltagens e altas correntes.
Conversor de Voltagem e Retificador de Saída
Se a saída deve ser retificada a partir da entrada, como é normalmente o caso nas principais fontes de alimentação, a CA invertida é usada para acionar o enrolamento primário de um transformador de alta freqüência (presente no oscilador de potência). Isso converte a tensão para cima ou para baixo para o nível de saída requerido em seu enrolamento secundário. O transformador de saída no diagrama de blocos serve para esse propósito. Se uma saída CC for necessária, a saída CA do transformador (no oscilador de potência) deve ser retificada. Para tensões de saída acima de dez volts, os diodos de silício comuns serão suficientes. Para tensões mais baixas, os diodos Schottkysão usados como diodos retificadores. Os diodos Schottky têm a característica de trabalhar em baixa tensão direta e possuem uma ação de comutação muito rápida. Eles também têm o conjunto exclusivo de vantagens de tempos de recuperação mais rápidos do que os diodos de silício e uma queda de tensão menor durante a condução. Para tensões de saída ainda menores, os MOSFETs podem ser usados como retificadores síncronos; em comparação com os diodos de Schottky, estes têm quedas de tensão de estado condutivo ainda mais baixas. No final, a saída retificada é então suavizada por um filtro que consiste em um capacitor e indutores.
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O motivo do aquecimento
O aquecimento do carregador ocorre principalmente como um subproduto do processo de conversão de energia mencionado acima. Uma maneira simples de converter energia é retificar a energia da parede CA para CC através de uma ponte de diodos (que sempre envolve alguma perda de calor) e um filtro (para suavizar as ondulações da fonte CA) e executá-la em um regulador “linear” . Um regulador linear funciona usando feedback para fazer um transistor agir como um resistor variável. Um resistor é um componente que transforma energia em calor. Seu telefone receberia os 5V necessários, mas o transistor teria que “consumir” os outros 105V como calor. Como resultado, isso é menos de 5% de eficiência, o que é totalmente impraticável para o uso do telefone.
O próximo método que se pode investigar é pegar a corrente alternada e colocá-la em um transformador, que produzirá uma voltagem mais baixa. Essa tensão mais baixa pode ser retificada e enviada para o mesmo tipo de regulador, que precisa diminuir apenas alguns volts. O transformador é muito eficiente, enquanto os diodos são um pouco menos do que com a voltagem mais alta, mas a grande vitória vai de uma queda de 105V no regulador para 2-3V ou menos. Isso pode, portanto, ser 60-80% eficiente. A principal desvantagem é que os transformadores podem ser incômodos e grandes se você quiser que eles sejam produtivos.
Uma última maneira é usar um conversor de comutação. Se você colocar uma voltagem em um comutador e ligar e desligar regularmente o interruptor com um período uniforme, descobrirá que a saída média é metade da entrada. O único problema é que o que você obtém é uma grande onda quadrada que vai de tensão total a zero. No entanto, execute isso através de um bom filtro e o resultado é metade da tensão de entrada como DC. Assim, no nosso caso, nós retificamos a tensão de entrada para CC, passamos por um interruptor, filtramos e extraímos qualquer voltagem que desejamos com uma eficiência de quase 100%, com base no tempo de ligado versus desligado do comutador. É claro que um interruptor real mudaria muito devagar, exigiria um grande circuito de filtro e se desgastaria rapidamente. Assim, usamos um comutador eletrônico, que é onde o SMPS se mostra eficaz. Somente para uma pequena parte do processo de conversão, um fornecimento de comutação pode ter 95% de eficiência ou mais,