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Fontes de Alimentação I

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Tópicos: Circuitos Básicos de Fontes | Filtros | Fontes Estabilizadas | Considerações sobre Fontes Estabilizadas |

1) Circuitos Básicos de Fontes

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Na Figura 1-I, exemplo simples de fonte: o transformador reduz ou eleva a tensão da rede para o valor desejado e um diodo permite a passagem dos semiciclos positivos. Por isso, chamado retificador de meia-onda. O resultado é uma corrente contínua pulsante, de valor de pico teoricamente igual ao da tensão do secundário do transformador.

Retificador de meia onda
Fig 1-I

O circuito anterior é pouco eficiente e de elevada ondulação, pois metade do ciclo não é aproveitada. Na Figura 1-II um circuito de onda completa, que usa ambos os semiciclos.

Retificador de onda completa
Fig 1-II

O secundário do transformador é duplo, cada lado deve ter a tensão desejada de saída da fonte. A ondulação da corrente de saída é visivelmente menor que a do circuito de meia-onda. O arranjo foi pioneiro, do tempo em que os diodos eram válvulas termiônicas. É relativamente pouco usado nos dias atuais.

Retificador de onda completa em ponte
Fig 1-II

Na Figura 1-III, uma ponte de diodos faz o mesmo trabalho de retificação em onda completa sem necessidade de duplo secundário no transformador. A contrapartida é o uso de quatro diodos em vez de dois.


2) Filtros

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Os retificadores vistos no tópico anterior fornecem apenas correntes contínuas pulsantes, que são inadequadas para a maioria dos circuitos. Uma corrente contínua pulsante pode ser considerada a soma de um componente CA e de um componente CC.

A Figura 2-I dá um exemplo simples com uma corrente alternada de formato retangular. A forma dessa corrente é dada em (a) da figura. Em (b), uma corrente contínua pura de valor Vm. A soma dessas correntes é dada em (c) da mesma figura. Esse resultado é uma corrente contínua de valor médio Vm, ondulada de acordo com as variações do componente alternado. Assim, uma fonte deve dispor de filtro para reduzir o valor do componente CA ao nível aceitável pelo circuito que ela alimenta.

Soma de correntes (alternada e contínua)
Fig 2-I

O parâmetro para indicar a qualidade da corrente pulsante é denominado fator de ondulação, que é calculado por:

$$r = \frac{V_{ef}}{V_m} \tag{2A}$$
Onde Vef é valor eficaz do componente CA e Vm é o valor médio conforme já visto (o símbolo r tem relação com a palavra inglesa equivalente ripple, que é bastante usual em literatura técnica).

Filtro RC
Fig 2-II

Um filtro deve produzir o menor valor possível de r (nulo, no caso ideal). Na Figura 2-II, exemplo de um filtro simples e bastante usado, isto é, um capacitor na saída do retificador. O componente CA após o retificador (meia-senoide de pico Vp) carrega o capacitor em parte do ciclo e ele se descarrega em outra parte, resultando componente CA de formato perto do triangular, conforme Figura 2-II.

Ondulação
Fig 2-III

O fator de ondulação aproximado para o filtro capacitivo é dado por:

$$r \approx \frac{1}{2 \sqrt 3 f R C} \tag{2B}$$
Onde f = frequência em Hertz, R = resistência da carga em ohms, C = capacitância em farads. Portanto, a ondulação diminui com o aumento do valor do capacitor e aumenta com o aumento da corrente da carga (R menor). A tensão de saída é dada de forma aproximada por (I = corrente de carga):

$$V_m \approx V_p - \frac{I}{2 f C} \tag{2C}$$
Filtro LC
Fig 2-IV

A Figura 2-IV mostra um filtro LC, isto é, um indutor seguido de um capacitor. E a Figura 2-V dá a comparação típica da variação da tensão de saída em função da carga para os dois tipos. Nota-se que, no filtro puramente capacitivo, a tensão decresce linearmente com a carga e, no LC, tende a uma estabilização teórica, mas com um menor valor.

Comparação filtro RC e LC
Fig 2-V

O arranjo dado na Figura 2-VI é uma combinação dos tipos anteriores e bastante utilizado.

Filtro PI
Fig 2-VI

A ondulação é consideravelmente reduzida pela existência de dois capacitores e a característica de regulação de tensão em relação à corrente de carga é similar à do filtro puramente capacitivo.


3) Fontes Estabilizadas

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Conforme tópico anterior, o filtro LC apresenta uma região de tensão constante, independente da corrente da carga. Mas é uma situação teórica. Se a tensão da rede variar, a saída da fonte também varia, qualquer seja o filtro usado. Transformadores, indutores e diodos polarizados diretamente não têm resistência elétrica nula e, portanto, a tensão da fonte sempre muda com a variação da corrente da carga.

Estabilização de fonte
Fig 3-I

Se o circuito alimentado exigir uma tensão razoavelmente constante, um simples filtro não poderá garantir a estabilidade. Na Figura 3-I, uma das primeiras técnicas usadas para a estabilização da fonte: um componente ativo (transistor) é inserido em série com a carga. O diodo zener fornece uma tensão de referência constante dentro da faixa de variação prevista. Essa tensão (constante) e a de saída (supostamente variável) são aplicadas em um circuito controlador, que faz a comparação de ambas e polariza a base do transistor. Se, por exemplo, a corrente da carga aumenta, a tensão de saída tende a diminuir e o circuito de controle ajusta a polarização da base do transistor, fazendo-o conduzir mais e, portanto, restabelecendo o valor anterior.

O circuito de controle pode proporcionar outras funções, como o ajuste da tensão de saída e proteção contra sobrecargas ou curtos-circuitos.

Fonte estabilizada regulável
Fig 3-II

Na Figura 3-II, exemplo de uma fonte estabilizada e regulável. T1, D1, D2 e C1 formam o conjunto transformador, retificador de onda completa e filtro capacitivo. Q6 é o transistor de potência que controla a saída da fonte. A polarização da sua base é controlada por Q5, de baixa potência como os demais. Q3 e Q4 formam um amplificador diferencial que recebe tensão da saída e a de referência da série de zeners D3, D4 e D5. O coletor de Q3 atua na base de Q5, fazendo a estabilização da tensão de saída, que pode ser ajustada pelo potenciômetro R3. Q2 recebe a queda de tensão em R13 (resistor de baixo valor, em série com a carga) e, junto com Q1, faz uma espécie de limitação de corrente, que pode ser ajustada por R6.


4) Considerações sobre Fontes Estabilizadas

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As fontes que operam conforme tópico anterior são denominadas fontes lineares porque o transistor em série com a carga funciona como um regulador aproximadamente linear. Na realidade, ele se comporta com um resistor variável, cujo valor é automaticamente ajustado para compensar as variações da carga. Uma desvantagem importante desse tipo de construção é potência dissipada no transistor, equivalente ao produto da sua queda de tensão pela corrente. Ou seja, o processo de regulação gera calor, reduzindo a eficiência energética.

Mas as fontes lineares também têm vantagens: são simples, o fator de ondulação (ripple) é baixo, a característica de regulação é boa, o tempo de resposta a variações da carga é pequeno, produzem pouca interferência em outros circuitos. Entretanto, a baixa eficiência, o volume e peso de dissipadores e transformadores motivaram o desenvolvimento de outros tipos de fontes, mais compactas e eficientes.
Referências
BROPHY, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977.
U. S. NAVY. Basic Electronics. Hemus, 1976.
Pesquisa na Internet em 04/2008. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018