Como Dimensionar Fontes e Escolher Estabilizadores (ART816)

Na compra de um estabilizador de tensão ou de uma nova fonte de alimentação é muito importante saber calcular o consumo do aparelho em que estes dispositivos vão ser usados. Uma fonte ou estabilizador sub-dimensionados não funcionam bem podendo afetar os aparelhos alimentados e mais que isso: sofrem sobrecargas que acabam por danificar a si próprios. Como calcular a potência consumida por um PC e como escolher fontes e estabilizadores é o assunto deste artigo em que explicamos o que é o "fator de potência".

 

 Obs.: Este artigo é de 1995, quando os computadores tinham consumos elevados e não havia recursos para um bom gerenciamento da energia. No entanto, os conceitos básicos de consumo são válidos.

 

Quanto consume um computador ou um periférico é algo que todo o usuário precisa saber, principalmente quando precisa comprar um estabilizador de tensão, um transformador ou ainda dimensionar uma fonte.

No entanto, o que poucos sabem e que vamos procurar explicar neste artigo é que existe uma diferença entre a potência real e a potência aparente desses aparelhos e que levam a confusões em relação à interpretação das especificações dos aparelhos.

Essas confusões são perigosas, pois um engano no dimensionamento de um estabilizador ou de uma fonte pode levar a problemas muito sérios de funcionamento quando não a queima do próprio dispositivo que deve fornecer a energia.

 

FATOR DE POTÊNCIA

A potência elétrica consumida por um equipamento elétrico ou eletrônico é normalmente expressa em Watts (W). Esse consumo está relacionado com a potência que estes aparelhos também podem fornecer na forma de algum tipo de efeito. Uma lâmpada comum, por exemplo, tem potências na faixa de 5 a 300 watts e parte da energia consumida se converte em luz.

A potência consumida nada mais é do que a quantidade de energia que o aparelho exige da rede de energia ou de outra fonte em cada segundo.

Para um aparelho alimentado que corresponda somente a resistências puras que convertam a energia em calor, ou seja, para uma carga resistiva, a potência é dada pelo produto da tensão pela corrente em cada instante.

Assim, multiplicando a tensão média pela corrente média temos a potência (também média) que nos permite calcular o gasto de energia do dispositivo.

No entanto, para o caso dos computadores e de muitos outros aparelhos eletrônicos e eletrodomésticos que não são formados exclusivamente por resistores, a "coisa" não é tão simples.

O que ocorre é que a tensão disponível numa tomada de energia é senoidal numa frequência de 60 Hz, conforme mostra a figura 1.

 

Tensão na rede de energia de 110 V.
Tensão na rede de energia de 110 V.

 

Isso significa que a corrente numa carga resistiva pura (uma lâmpada, por exemplo) acompanha as variações da tensão: quando a tensão aumenta nos semiciclos, a corrente também, na mesma proporção e com a mesma forma de onda.

Corrente e tensão numa carga resistiva pura, colocadas num mesmo gráfico estariam no mesmo "compasso" ou na mesma "fase" conforme mostra a figura 2.

 

Corrente e tensão em fase.
Corrente e tensão em fase.

 

Ora, nos circuitos eletrônicos como computadores que possuem elementos indutivos e capacitivos com efeitos combinados, a corrente não varia acompanhando a tensão.

O que pode acontecer nesses aparelhos é que quando a tensão esta aumentando de valor num semiciclo, a corrente ainda não está no mesmo ponto, ou seja, está "atrasada" em relação a esta tensão, conforme mostra a figura 3.

 

Corrente e tensão defasada.
Corrente e tensão defasada.

 

Existem aparelhos em que o efeito é contrário, e a corrente pode estar "adiantada" em relação à tensão, conforme mostra a figura 4.

 

Corrente adiantada em relação à tensão.
Corrente adiantada em relação à tensão.

 

Nos dois casos, dizemos que a tensão e a corrente não se encontram em fase, mas sim defasadas de um certo valor.

De qualquer maneira, se vamos determinar a potência que estes aparelhos consomem, com base na corrente e na tensão, o simples produto dessas grandezas em cada instante não leva a um resultado exato. Em outras palavras, Volts x Ampères não resultam em Watts!

Para saber como calcular a potência consumida ou que deve ser entregue a um aparelho que se comporta dessa maneira precisamos em primeiro lugar saber como medir a defasagem entre a corrente e a tensão.

 

ÂNGULO DE FASE E FATOR DE POTÊNCIA

O valor em um determinado instante de uma tensão ou corrente senoidal é dado pela sua amplitude (volts ou ampères conforme o caso) e pelo ponto a partir do início do ciclo em que ele é medido. Esse ponto é dado por um ângulo.

Assim, o ciclo inteiro tem 360 graus, o que significa que esse ângulo pode ter valores entre 0 e 360 graus. Isso se deve ao fato de que associamos a senóide (como função trigonométrica) ao movimento de um ponto em um círculo, conforme mostra a figura 5.

 

Como a senóide é gerada.
Como a senóide é gerada.

 

Para medir a fase de um sinal, usamos justamente ângulos e o mesmo ocorre para a diferença de fase entre dois sinais: uma corrente e uma tensão, por exemplo.

Na figura 6 temos o caso em que a corrente e a tensão estão defasadas de 45 graus.

 

Corrente de tensão defasada de 45 graus.
Corrente de tensão defasada de 45 graus.

 

Ocorre na prática que se, num aparelho, uma corrente e uma tensão estiverem em fase o produto de seus valores permite calcular diretamente o consumo de energia do aparelho. No entanto, à medida que ocorre uma defasagem, esse produto não mais corresponde a uma potência real, mas sim a uma potência aparente e essa potência pode cair a zero quando a corrente e a tensão estiverem defasados de 90 graus.

Isso significa que, para aparelhos em que a corrente não esteja em fase com a corrente, a potência em watts que seria real, não é a mesma aparente que seria calculada pelo produto dos Volts pelos Ampères, ou seja, em VA.

A diferença pode ser calculada levando-se em conta um fator que é dado pelo cosseno do ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão.

Esse cosseno do ângulo F pode então variar de 0 a 1 e é denominado "fator de potência".

A fórmula seguinte relaciona o fator de potência com a potência em watts (real) e a potência em VA (aparente).

Potência em VA = Potência em W/Fator de potência

 

NA PRÁTICA

Mas, como influi isso na prática, na escolha de uma fonte de um computador por exemplo?

Se considerarmos que os circuitos e dispositivos alimentados pelo PC não são resistivos, o dimensionamento de uma fonte ou a escolha de um estabilizador deve obrigatoriamente levar em conta o fator de potência (que varia conforme o caso).

Assim, um computador que tenha uma potência real de 200 W, mas que apresente um fator de potência de 0,5 precisa de um estabilizador com pelo menos 400 VA.

Mas, não é somente o fator de potência que influi na escolha das fontes e estabilizadores.

Um estabilizador ou uma fonte não apresentam um rendimento de 100% na conversão de energia, mas menor.

Assim, o rendimento também deve ser considerado o que nos leva a dar uma margem de segurança na escolha de qualquer um desses dispositivos.

Uma margem de segurança de 2 a 2,5 vezes é mais do que suficiente para se garantir um bom desempenho para os aparelhos alimentados supondo que seus fatores de potência sejam da ordem de 0,5. Para fatores maiores, uma margem menor, de 1,2 a 1,5 é admitida.

Para que o leitor tenha uma idéia da ordem de grandeza do consumo do computador e alguns periféricos, com as margens de segurança para as indicações em VA, damos uma tabela:

Dispositivo Potência em Watts Potência em VA
Computador 200 a 300 W 450 a 700 VA
Monitor Mono 30 a 40 W 60 a 80 VA
Monitor Color 100 a 150 W 200 a 300 VA
Impres.Matricial 30 a 50 W 60 a 100 VA
Impres. Jato Tinta 30 a 50 W 60 a 100 VA
Impres. Laser 500 a 800 W 1200 a 1800 VA

 

Exemplo: um sistema é formado por um computador de 250 W, um monitor de 40 W e uma impressora de 600 W. Que estabilizador usar para os três?

A soma das potências em Watts é 890 W o que, levando em conta os equivalentes em VA nos dá aproximadamente 1800 VA. Um estabilizador de 2 000 VA ou 2 kVA deve ser usado.

Obs: a) 2 kVA é o mesmo que 2 quilo-Volt-Ampère onde quilo = 1 000 (k).

b) Observe que uma grande consumidora de energia é a impressora LASER. Sem ela, o estabilizador poderia ter a metade da potência calculada.

Para o caso de Fontes Internas, seu dimensionamento leva em conta o consumo das placas. A tabela em Watts (W) nos dá uma idéia dos consumos:

 

Placa Consumo

CPU sem memória (exceto 486 e Pentium) 10 W

CPU 486 sem memória 15 W

CPU Pentium sem memória 20 W

Memória SIMM de 1 Megabyte 1 W

Coprocessador aritmético 3 W

Placa de expansão half size 2 W

Placa de expansão full size 4 W

Winchester 3 1/2 6 a 8 W

Driver de disquetes 4 a 6 W

Teclado 3 W

Mouse 2 W

Scanner manual 4 a 8 W

 

Obs.: a margem de segurança dada no cálculo como exemplo leva em conta um fator de potência de 0,5 e rendimento acima de 90%. No entanto, se o leitor tiver informações mais exatas sobre o fator de potência (que pode ser maior) e rendimento do dispositivo, os valores podem cair muito levando a fontes ou estabilizadores mais econômicos. Os valores indicados devem ser usados na falta de informações exatas sobre os dispositivos alimentados.

 

 

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