Porque é que os carregadores elétricos ficam maiores à medida que a sua potência aumenta?

Há algo que não está bem.

Vivemos rodeados de tecnologias cada vez mais eficientes, miniaturizadas e elegantes. Os telemóveis são mais finos, os chips mais potentes e os computadores mais compactos. Tudo parece caminhar no mesmo sentido: mais potência em menos espaço. No entanto, existe um objeto do quotidiano que segue exatamente na direção oposta. Quanto mais potência um carregador elétrico fornece, maior e mais pesado se torna.

O pequeno adaptador para telemóvel cabe em qualquer tomada. O adaptador para portátil já tem quase um tijolo de espessura. E os carregadores de alta potência parecem peças de engenharia industrial.

A intuição diz-nos que isto não deveria acontecer, porque se um carregador precisa de reduzir a potência para se adaptar ao dispositivo, não deveria ser tanto menor quanto mais potente for o dispositivo? Não teria menos trabalho para fazer?

A questão é complexa porque aponta para uma aparente contradição entre o que pensamos compreender sobre a eletricidade e o que vemos à mesa todos os dias. Mas, como acontece frequentemente na física, quando algo parece absurdo, não é porque a realidade esteja mal concebida.

Isto acontece porque o nosso modelo mental é muito simplista. E por detrás do tamanho crescente dos carregadores não há má engenharia, marketing desnecessário ou design desajeitado. Existem transformadores, campos magnéticos, perdas de calor e limitações físicas muito específicas que raramente são explicadas.

Compreendê-los muda completamente a forma como vemos aquele "tijolo" pendurado na tomada.

Como funcionam os carregadores e transformadores elétricos?

Um carregador converte a corrente alternada (CA) de alta tensão da rede elétrica em corrente contínua (CC) de baixa tensão, que é a forma de energia necessária para os dispositivos eletrónicos.

• Corrente alternada (CA): a eletricidade muda de direção muitas vezes por segundo. Este é o tipo de eletricidade que chega a sua casa vinda da rede elétrica (230 V nas tomadas). É vantajosa para transportar energia a longas distâncias e alimentar redes elétricas devido à sua eficiência e facilidade de mudança de tensão.
• Corrente contínua (CC): a eletricidade flui sempre no mesmo sentido. Este é o tipo de corrente utilizado pelos dispositivos eletrónicos (baterias, telemóveis, computadores portáteis). É ideal para alimentar e controlar dispositivos eletrónicos e baterias onde se necessita de uma tensão estável e precisa.

Para realizar a conversão, é utilizado um transformador interno ou um circuito conversor para reduzir a tensão e ajustar a corrente. Tradicionalmente, esta conversão era feita com grandes e pesados transformadores de 50/60 Hz, que reduziam diretamente a tensão da rede elétrica de 230 V para alguns volts utilizáveis.

Os carregadores modernos funcionam de forma diferente. Primeiro, convertem a eletricidade num sinal de alta frequência e depois transformam-no, permitindo a utilização de componentes muito mais pequenos e mais eficientes. Estas fontes de alimentação comutadas explicam porque é que os carregadores atuais podem ser muito mais compactos.

Em ambos os casos, o objetivo é o mesmo: fornecer a potência adequada (watts) ao dispositivo sem o danificar, regulando com precisão a tensão e a corrente.

Um carregador funciona como um intermediário inteligente entre a tomada e o dispositivo, adaptando a energia para que esta chegue exatamente na forma necessária.

Até aqui, tudo parece simples. O problema começa quando a energia entra em jogo.

Tensão, corrente e potência: compreender a diferença

É aqui que a intuição falha muitas vezes.

Um equívoco comum é que reduzir menos a tensão (por exemplo, de 230 V para 19 V em vez de 5 V) deveria tornar o carregador mais pequeno. Na realidade, o que interessa é a potência (watts) que o carregador fornece, que é o produto da tensão pela corrente (W = V × A).

Embora um carregador de portátil reduza a voltagem menos do que um carregador de telemóvel, normalmente fornece uma amperagem significativamente mais elevada. Por exemplo, um carregador de telemóvel pode fornecer aproximadamente 5V * 2A = 10W, enquanto um portátil de gaming requer aproximadamente 19V * 6A = 114W. Esta potência de saída muito mais elevada significa que pode lidar com mais corrente e energia, mesmo que a redução de voltagem seja menor.

A diferença de potencial não é desperdiçada, pois o carregador converte a energia; e quanto mais energia (W) tiver de transferir, mais exigentes serão as condições para os componentes internos.

Porque é que mais potência significa um carregador maior?

Fornecer mais potência com tensões mais baixas requer mais corrente (W = V × A). Para conduzir esta corrente sem sobreaquecer, os fios, enrolamentos e pistas internas precisam de ser mais espessos, e os transístores, díodos e condensadores precisam de ser maiores ou mais numerosos. Nos transformadores, esta corrente mais elevada gera campos magnéticos mais fortes, o que exige a utilização de núcleos magnéticos maiores para evitar a saturação e transferir energia de forma eficiente.

A isto acresce o calor. As perdas são inevitáveis e parte da energia é dissipada termicamente. Mesmo que um carregador seja muito eficiente, uma pequena percentagem de 100 W gera muito mais calor absoluto do que a mesma percentagem de 10 W. É por isso que os carregadores de alta potência requerem uma maior área de superfície e volume para dissipar o calor em segurança, enquanto os carregadores de baixa potência podem ser muito mais compactos.

Fornecer mais watts exige hardware mais volumoso: mais material, uma secção transversal maior e mais área de superfície para lidar com corrente, campos magnéticos e calor. Esta é determinada pela lei de Joule (o aquecimento é proporcional a I²R) e pelos limites de saturação magnética, leis físicas que exigem o aumento do tamanho à medida que a potência aumenta.

O papel da frequência: miniaturização versus potência

Durante muito tempo, o tamanho das pás carregadoras foi limitado pela frequência de trabalho.

Os transformadores convencionais operam a frequências de 50 a 60 Hz. Nestas frequências, para transferir energia sem saturar o núcleo magnético, são necessários núcleos grandes e enrolamentos volumosos: mais ferro, mais cobre e mais peso. Isto não é um problema de projeto, mas sim uma questão de física.

A miniaturização inicia-se quando a frequência da rede elétrica é abandonada.
Os carregadores modernos convertem primeiro a eletricidade num sinal de alta frequência, tipicamente dezenas ou centenas de quilohertz. A frequências mais elevadas, o transformador pode ser muito mais pequeno para a mesma potência de saída, porque a energia é transferida em ciclos muito mais rápidos e eficientes.

Mas aumentar a frequência tem um preço. Significa mais perdas de comutação, mais interferência eletromagnética e mais geração de calor. Durante anos, o silício convencional estabeleceu o limite prático: a comutação demasiado rápida provocava uma quebra de eficiência e um aumento da temperatura.

Portanto, a frequência tornou-se um compromisso entre a miniaturização e a potência. Permite carregadores mais pequenos, mas apenas na medida em que os materiais e a gestão térmica o permitam.

Tecnologias modernas: GaN e novos materiais que reduzem o tamanho dos carregadores

Antes das tecnologias atuais, o tamanho dos carregadores era limitado pelas leis da física dos materiais disponíveis. Era possível otimizar os projetos, ajustar os componentes, melhorar a eficiência… mas havia um limite a partir do qual não era possível reduzi-los ainda mais sem pagar um preço sob a forma de calor ou perdas.

Isso começou a mudar com a chegada das novas tecnologias.

A chave está nos materiais semicondutores. Os carregadores tradicionais utilizam silício, um material fiável, barato e bem conhecido, mas com limitações claras: não tolera temperaturas muito elevadas nem comutação extremamente rápida sem gerar perdas significativas.

É aqui que entra o nitreto de gálio (GaN).

O GaN permite o funcionamento a frequências muito mais elevadas, suporta tensões e temperaturas mais elevadas e reduz significativamente as perdas de energia. Na prática, isto significa que os transístores podem ser ligados e desligados milhões de vezes por segundo sem sobreaquecer. E isso tem uma consequência direta.

A frequências de comutação mais elevadas, os transformadores e indutores podem ser muito mais pequenos para transferir a mesma potência. Menos cobre, menos núcleo magnético, menos volume. Além disso, ao perder menos energia sob a forma de calor, a necessidade de grandes superfícies de dissipação de calor também é reduzida.

É por isso que hoje existem carregadores USB-C de 65, 100 ou até mais de 140 watts que cabem na palma da mão, algo impensável há poucos anos.

O GaN não elimina as leis da física. Desafia-as, otimiza-as e utiliza-as melhor. Mesmo com eficiências superiores a 95%, um carregador de alta potência ainda gera vários watts de calor que precisam de ser dissipados, e ainda lida com correntes elevadas que exigem margens de segurança. Este volume extra não é uma escolha de projeto. É a energia a obedecer às leis da física.

Os carregadores modernos são mais pequenos não porque a potência tenha perdido importância, mas porque os materiais e designs atuais permitem-lhes aproximar-se muito mais dos limites físicos sem os ultrapassar. E, no entanto, à medida que a potência continua a aumentar, o tamanho volta a crescer.

Conclusão: As leis da física prevalecem, embora a tecnologia ajude.

A resposta é mais simples do que parece, embora nem sempre intuitiva: os carregadores tornam-se maiores à medida que a sua potência aumenta, porque têm de lidar com mais energia de forma segura e estável.

Não se trata de quanto reduzem a voltagem, mas sim de quantos watts têm de transferir. Mais potência significa mais corrente, campos magnéticos mais fortes, componentes que não podem saturar e calor que precisa de ser dissipado. Tudo isto ocupa espaço.

Aqui, as leis da física não negoceiam. A lei de Joule, a saturação magnética e a gestão térmica impõem condições claras: para transferir mais energia sem danificar nada, é necessário mais material, mais área de superfície e uma maior margem de segurança.

A boa notícia é que a tecnologia está a alargar esses limites. Fontes de alimentação comutada, projetos de alta frequência e materiais como o GaN estão a possibilitar carregadores cada vez mais pequenos para potências de saída cada vez maiores. Mas mesmo com estas melhorias, a regra geral ainda se aplica.

Enquanto houver calor para dissipar e corrente para controlar, mais potência tenderá a significar mais volume.