Por que as quedas de energia são tão prejudiciais?

Eu estava lendo A proteção contra surtos é realmente necessária? e bem, eu gostaria de saber por que as quedas de energia são tão prejudiciais. A explicação dada é que "os capacitores ficam acima da tensão nominal". Mas isso não faz sentido se a energia que entra na PSU for menor que a tensão usual. O que acontece com um PSU em uma queda de energia para danificá-lo?

Existe alguma proteção embutida nas PSUs modernas para evitar esses danos? Existe alguma maneira de proteger o computador em condições de indisponibilidade que não seja o uso de um no-break?

Uma queda de energia é uma condição de subtensão, quando a alimentação CA cai abaixo do valor nominal em cerca de 10% (Nominal significa 110-120 ou 220-240 na maioria dos lugares). Portanto, nos EUA, uma queda de energia pode ser definida como a tensão CA caindo abaixo de 99V. A especificação Intel para fontes de alimentação ATX especifica que tensões entre 90 e 135 e 180 e 265 devem permitir a operação correta da fonte de alimentação ( seção 3.1 ), para que a fonte de alimentação ainda funcione normalmente, mesmo quando ocorrer uma queda de energia perceptível.

Algumas pessoas também incluem quedas de energia muito breves (abaixo de 30mS ou cerca de 2 ciclos de corrente alternada) como quedas de energia, pois as lâmpadas incandescentes brevemente, mas visivelmente, escurecerão durante esse tempo, semelhante a uma condição de subtensão real.

Nos dois casos, a Intel os define como condições de subtensão e discute quais requisitos uma fonte de alimentação ATX deve seguir nessas condições na seção 3.1.3 do Guia de design da fonte de alimentação ATX12V da Intel

A fonte de alimentação deve conter circuitos de proteção, de modo que a aplicação de uma tensão de entrada abaixo do mínimo especificado na Seção 3.1, Tabela 1, não cause danos à fonte de alimentação.

Normalmente, as fontes de alimentação têm uma seção de entrada composta por vários circuitos interessantes que, no final do dia, fornecem cerca de 308 VCA a um transformador, que alimenta o circuito de regulação e condicionamento. Na verdade, esse circuito constitui a base principal do circuito de regulação e, se você estiver usando menos do que a potência total da fonte de alimentação, poderá gerenciar com condições significativas de subtensão sem cair da regulação no lado da saída.

Quando ocorre uma queda de energia, a fonte de alimentação tentará fornecer a corrente nominal pelo maior tempo possível (com base na tensão e corrente de entrada) e, se não puder manter a regulação, desativará o Power Goodsinal que vai para a placa-mãe. A placa-mãe é responsável por desativar o power onsinal que chega ao suprimento e, se isso ocorrer a tempo, o suprimento diminuirá toda a saída e será desligado.

Se a placa-mãe falhar, a fonte de alimentação deve cair quando não estiver regulada demais, mas isso não é garantido, e com fontes de alimentação de baixa qualidade, você pode encontrar os componentes e a placa-mãe com condições de subtensão.

O que acontece nesse momento depende de quão robustos esses componentes são, mas geralmente não é uma coisa boa, pois os componentes tentam operar na tensão mais baixa. Lembre-se de que a fonte de alimentação sempre fornece uma subtensão ao desligar por um breve período (a queda das saídas para 0 não é instantânea), portanto, períodos de subtensão muito breves são bons. O problema ocorre apenas se a fonte de alimentação permanecer em um estado de subtensão por um longo período de tempo, o que só poderá ocorrer se a fonte de alimentação e a placa-mãe falharem em entender o problema e continuarem tentando operar.

Lembre-se de que a especificação da Intel não é muito mais que uma diretriz do setor e não há organismos de certificação. Mesmo boas fontes de alimentação não estão sujeitas a nenhum acordo para seguir suas recomendações. Minha seção favorita é 3.1.5. Eu já vi muitas fontes de alimentação, caras e baratas, falharem em manter essas recomendações!

Os efeitos específicos diferem dependendo do componente que está sendo discutido, o que é realmente uma discussão separada.

TORTA. P = IE. Potência = tempos atuais Tensão. Portanto, se a tensão for menor em uma queda de energia, uma fonte de alimentação precisará puxar mais corrente da rede elétrica para manter a mesma energia. Portanto, enquanto o estresse de tensão é realmente menor durante uma queda de energia, o estresse de corrente na fonte de alimentação aumenta para compensar.

Aqui está a resposta curta: em uma queda de energia, as fontes de alimentação precisam consumir mais corrente para compensar a menor tensão de alimentação, o que é muito estressante para transistores, fios, diodos etc. Eles também se tornam menos eficientes, o que os faz consumir ainda mais corrente , agravando o problema.

Aqui está a resposta longa: a maioria dos PCs (se não todos) usa fontes de alimentação comutadas. Se todos os elementos da fonte (transistores, transformadores, capacitores, diodos etc.) fossem completamente ideais, uma fonte poderia receber qualquer tensão de entrada e produzir a energia desejada na tensão desejada (desde que houvesse corrente suficiente no entrada para manter P = IE).

Mas esses elementos estão todos longe do ideal, portanto, todas as fontes de alimentação do mundo real são projetadas para operar dentro de um determinado intervalo, por exemplo, 80 a 240V. Mesmo dentro da faixa para a qual foram projetados, a eficiência (a porcentagem de energia na saída da fonte em comparação com a energia necessária na entrada) tende a cair à medida que a tensão de entrada diminui. Anandtech tem um bom exemplo de gráfico . O eixo X é a potência na saída da fonte (a carga) e o eixo Y é a eficiência. Portanto, esse suprimento é mais eficiente em torno de 300W.

Para uma entrada de 120V, é cerca de 85% eficiente, portanto extrai cerca de 300W / 0,85 = 353W da parede para obter 300W na saída. Os 53W "ausentes" são dissipados no circuito da fonte de alimentação (é por isso que seus PCs têm ventiladores - é como se a sua fonte de alimentação tivesse uma lâmpada de 50W em uma caixinha e precisasse sair do calor). Como P = IE, podemos calcular a corrente necessária na tomada para produzir 300W de saída de 120V: I = P / E = 353W / 120V = 2,9A. (Estou ignorando o fator de potência para manter essa explicação simples.)

Para uma entrada de 230V, a eficiência é de 87%, portanto, apenas puxa 344W da parede, o que é bom. Como a tensão é muito maior, o consumo de corrente é muito menor: 344W / 230V = 1,5A.

Mas em uma condição de 90V, a eficiência é ainda pior do que em 120V: 83,5%. Então agora o suprimento está puxando 300W / 0.835 = 359W da parede. E está puxando ainda mais corrente: 359W / 90V = 4A!

Agora isso provavelmente não estressaria muito esta fonte de alimentação, uma vez que é classificada em 650W. Então, vamos dar uma rápida olhada no que acontece em 650W. Para 120V, é 82% eficiente -> 793W e 6,6A da parede. Mas a eficiência é ainda pior em altas cargas, portanto, para 90V, vemos 78,5% de eficiência, o que significa 828W e 9,2A! Mesmo que a eficiência permanecesse em 78,5%, se a queda de energia chegasse a 80V, seria necessário puxar 10,3A. Isso é muita corrente; as coisas começam a derreter se não forem projetadas para esse tipo de corrente.

É por isso que quedas de energia são ruins para fontes de alimentação. Eles precisam consumir mais corrente para compensar a tensão de alimentação mais baixa, o que é muito estressante para transistores, fios, diodos etc. Eles também se tornam menos eficientes, o que os faz consumir ainda mais corrente, agravando o problema.

Exemplo de bônus: Aqui está uma rápida explicação de por que as fontes de alimentação ficam menos eficientes à medida que a tensão da fonte diminui. Todos os componentes eletrônicos (transistores, transformadores e até os traços na placa de circuito impresso) têm algum tipo de resistência equivalente. Quando um transistor de potência é "ligado", ele tem uma "resistência", digamos 0,05ohms. Assim, quando 3A de corrente flui através desse transistor, ele vê 3A * 0,05ohms = 0,15V em suas derivações. Aqueles 0,15V * 3A = 0,45W de potência que agora estão sendo dissipados nesse transistor. Isso é desperdício de energia - é calor na fonte de alimentação, não energia para a carga. Esse é o nosso cenário de 300W, 120V.

No cenário de 90V de 300W, o transistor tem o mesmo 0,05ohm de resistência, mas agora há 4A de corrente passando por ele, então cai 4A * 0,05ohms = 0,2V em suas derivações. Esse 0.2V * 4A = 0.8W de potência que agora está sendo dissipado nesse transistor. Portanto, cada dispositivo (e há muitos deles) na fonte de alimentação que apresenta uma queda de resistência / tensão gerará mais calor (energia desperdiçada) quando a tensão de alimentação cair. Portanto, em geral e dentro do razoável, tensões mais altas proporcionam maior eficiência.