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Fontes chaveadas
| Topo pág | Fim pág |O desenvolvimento de fontes chaveadas teve início na década de 1960, para atender demanda de equipamentos militares mais compactos e eficientes. Hoje são usadas em televisores, computadores e em muitos outros aparelhos eletrônicos.
A tabela abaixo faz uma comparação de parâmetros médios para os dois tipos. Notar a superioridade da linear na regulação e ripple e a superioridade da chaveada na eficiência e volume.
| Parâmetro | Fonte linear | Fonte chaveada |
| Regulação de linha | 0,02 a 0,05 % | 0,05 a 0,1 % |
| Regulação de carga | 0,02 a 0,1 % | 0,1 a 1,0 % |
| Fator de ondulação | 0,5 a 2 mVrms | 25 a 100 mVpp |
| Tolerância de entrada | ± 10 % | ± 20 % |
| Eficiência energética | 40 a 55 % | 60 a 80 % |
| Relação potência/volume | 30 W / dm3 | 120 a 300 W / dm3 |
| Resposta a transientes | 50 μs | 300 μs |
| Tempo de sustentação | 2 ms | 30 ms |
Regulação de linha: é a variação da tensão de saída devido a uma variação da tensão de entrada. Normalmente, é dada pela relação percentual entre variação da tensão de saída e a tensão nominal de saída, quando a tensão de entrada varia entre os valores mínimo e máximo.
Regulação de carga: é a relação percentual entre a variação da tensão de saída e a tensão nominal de saída, quando a corrente da saída varia de zero até o valor nominal.
Eficiência energética: relação percentual entre a potência de saída e a potência de entrada.
Resposta a transientes: o tempo necessário para a tensão de saída retornar à faixa de regulação após uma variação brusca de 50% na carga.
Tempo de sustentação: intervalo de tempo, após perda da tensão de entrada, em que a tensão e corrente da saída se mantêm dentro dos limites especificados. Notar que um valor adequado é importante em computadores, para mantê-los em operação até que sejam atendidos por uma fonte alternativa com bateria (no-break) em casos de interrupções da rede elétrica.
O princípio de operação de uma fonte chaveada é simples. Seja, conforme Figura 01 abaixo, uma fonte contínua de tensão Ve que alimenta uma carga comutada por uma chave S (a indicação de chave mecânica é apenas uma questão de simplicidade. Pode ser um elemento ativo, como um transistor que trabalha na saturação ou no corte).
Se, a cada intervalo de tempo T, a chave fica conectada por um tempo Tc, a tensão na carga Vc será pulsante conforme gráfico na figura.
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| Figura 01 |
Vm = (Tc/T) Ve.Isso significa que é possível controlar a tensão média pela relação tempo ligado e tempo total do ciclo (Tc/T).
O método é denominado modulação por largura do pulso, mais conhecido como PWM, sigla da expressão em inglês (pulse width modulation).
O arranjo simples da figura pode ser (e é) usado em casos como resistências de aquecimento. Para circuitos eletrônicos, uma corrente pulsante é completamente inviável e há necessidade de algo mais elaborado, para suavizar e estabilizar a tensão.
Os tópicos seguintes exibem alguns arranjos comuns, genericamente denominados conversores, porque convertem um valor de tensão contínua em outro. Notar que, neles, a chave S é substituída por um transistor cuja base é excitada por um bloco genérico PWM. Esse bloco gera os pulsos que saturam ou cortam o transistor. Também deve permitir o ajuste da relação Tc/T para proporcionar a estabilização da tensão de saída através de algum sinal de controle. Tais funções são em geral executadas por um único circuito integrado.
Conversor buck ou step-down
| Topo pág | Fim pág |O circuito da Figura 01 deste tópico é dito step-down porque a tensão de saída só pode ser menor ou teoricamente igual à tensão de entrada.
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| Figura 01 |
Iniciada a condução, a corrente Iq aumenta com o tempo, devido à presença do indutor.
Entrando o transistor em corte, uma tensão de polaridade oposta aparece no indutor, devido à força contra-eletromotriz.
O fluxo da corrente passa agora pelo diodo e é decrescente, resultando em correntes e tensão na carga conforme gráfico da figura (obs: as rampas estão consideradas retas por simplicidade. Na realidade, são curvas devido às características do indutor).
A largura dos pulsos gerados pelo circuito PWM determina a tensão de saída.
Conversor boost ou step-up
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| Figura 01 |
Na condução de Q, energia é armazenada no indutor e não há corrente da entrada para a carga (ela deve ser suprida pelo capacitor).
No corte de Q, ocorre processo similar ao do circuito anterior mas, desde que o indutor está em série com a fonte de tensão, uma soma de tensões é aplicada à carga.
Inversor
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| Figura 01 |
Nessa condição, a tensão de saída tem polaridade contrária à da tensão de entrada, motivo do nome.
A tensão de saída pode ser maior, igual ou menor que a tensão de entrada, dependendo da relação entre o tempo de condução e período total, definida pelo circuito PWM modulante.
Considerações sobre os conversores anteriores
| Topo pág | Fim pág |Os conversores dos três últimos tópicos são adequados para tensões baixas. Para fontes ligadas à rede elétrica, isto é, a entrada é 110 ou 220 volts retificados, é absolutamente necessária uma isolação elétrica entre a rede e a saída. Sem ela, os circuitos alimentados tornam-se inseguros e podem ficar mais vulneráveis a problemas na rede.
Pode-se então supor a existência de um transformador na entrada da rede para fazer a separação elétrica entre os circuitos. Entretanto, transformadores para a freqüência da rede (50 ou 60 Hz) são volumosos e pesados e o uso deles descaracteriza o objetivo de se construir fontes compactas e leves.
Para resolver a questão, fontes de computadores, monitores, televisores e outros usam conversores tipo fly-back. O transistor de chaveamento opera com tensão retificada diretamente da rede e o transformador trabalha na freqüência de chaveamento, que é bastante superior à da rede (20 kHz ou mais). Para uma mesma potência, quanto maior a freqüência menores são o peso e o volume do transformador, sendo esse o principal motivo das reduzidas dimensões das fontes chaveadas em comparação com as lineares.
Conversor fly-back
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| Figura 01 |
A corrente da rede é retificada diretamente e passa por um filtro para prevenir retorno de freqüências indesejadas, oriundas do chaveamento.
Notar que a operação é fundamentalmente a mesma do conversor boost, com um transformador no lugar do indutor. Assim, a tensão de saída pode ser qualquer, dependendo apenas da relação de espiras entre primário e secundário.
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| Figura 02 |
Há uma realimentação da tensão de saída para que o controlador PWM possa ajustar a largura dos pulsos para diferentes solicitações da carga.
Para completa separação elétrica entre o chaveamento de potência e a saída, o retorno de realimentação é aplicado através de um dispositivo isolador. Acopladores óticos são bastante usados para a função.
Controlador PWM
| Topo pág | Fim pág |A fonte da Figura 01 deste tópico é um exemplo retirado do datasheet do fabricante do controlador PWM UC3842, um tipo bastante usado em fontes chaveadas. Os próximos parágrafos descrevem resumidamente a operação do conjunto.
O transformador tem um secundário auxiliar, cuja tensão é retificada para alimentação do CI.
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| Figura 01 |
f = 1,8 / (Rt Ct).Onde Rt é o resistor entre os pinos 4/8 e Ct, o capacitor entre pino 4 e massa (10K e 4,7 nF no circuito). Calculando para esses valores, o resultado é cerca de 38 kHz.
Um MOSFET é usado como elemento de chaveamento, por se mostrar mais adequado para a aplicação.
O pino 3 é um limitador de corrente, que recebe sinal de um resistor de baixo valor na linha do chaveamento.
Notar que não há retorno da tensão de saída para o controle da modulação dos pulsos. Isso é feito de forma indireta pela tensão do secundário auxiliar aplicada, através dos componentes, nos pinos 1 e 2. Assim, a regulação é dependente do acoplamento indutivo entre os enrolamentos do transformador e, certamente, não é das melhores. O ideal seria um retorno com isolação elétrica conforme tópico anterior.
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