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Fontes de Alimentação II

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Tópicos: Fontes Chaveadas | Conversor Buck ou Step-down | Conversor Boost ou Step-up | Inversor | Considerações sobre Conversores | Conversor Fly-back | Controlador PWM |

1) Fontes Chaveadas

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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. Nota-se 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: 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. 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.

Princípio de operação: seja, conforme Figura 1-I, uma fonte contínua de tensão Ve que alimenta uma carga comutada por uma chave S (a indicação de chave mecânica é uma questão de simplicidade. Na realidade, deve 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.

Modulação por largura de pulso
Fig 1-I

A tensão média na carga será dada por:

$$V_m = \frac{T_c}{T} V_e \tag{1A}$$
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 usado em casos como resistências de aquecimento. Para circuitos eletrônicos, uma corrente pulsante é normalmente 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. Nota-se 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.


2) Conversor Buck ou Step-down

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O circuito da Figura 2-I é dito step-down porque a tensão de saída só pode ser menor ou teoricamente igual à tensão de entrada. A base do transistor Q é polarizada por um circuito PWM, de forma que ele só conduz nos intervalos de nível alto dos pulsos. No restante do ciclo, ele está em corte.

Conversor step-down
Fig 2-I

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 (as rampas são 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.


3) Conversor Boost ou Step-up

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O circuito da Figura 3-I faz o inverso do anterior. Tensão de saída é maior ou igual à tensão de entrada. Na condução de Q, energia é armazenada no indutor e não há corrente da entrada para a carga (ela deve ser suprida pelo capacitor).

Conversor step-up
Fig 3-I

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.


4) Inversor

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O circuito da Figura 4-I é uma modificação do anterior, isto é, transistor e indutor têm posições trocadas e a polaridade do diodo é invertida.

Inversor
Fig 4-I

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.


5) Considerações sobre Conversores

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Os conversores dos três últimos tópicos são adequados para tensões baixas. Para fontes ligadas à rede elétrica (entrada do conversor 110 ou 220 volts retificados), é necessária uma isolação elétrica entre rede e saída. Sem ela, os circuitos alimentados tornam-se inseguros e são mais vulneráveis a problemas de rede. Pode-se então usar um transformador na entrada da rede para fazer a separação elétrica entre os circuitos. Entretanto, transformadores para a frequência 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 frequência de chaveamento, que é bastante superior à da rede (20 kHz ou mais). Para uma mesma potência, quanto maior a frequência menores são o peso e o volume do transformador. Esse é o principal motivo das reduzidas dimensões das fontes chaveadas em comparação com as lineares.


6) Conversor Fly-back

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A Figura 6-I dá o arranjo básico de um conversor fly-back comum. A corrente da rede é retificada diretamente e passa por um filtro para prevenir retorno de frequências indesejadas, oriundas do chaveamento.

Conversor fly-back
Fig 6-I

A operação é basicamente 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. E pode também ter mais de um secundário para fornecer diferentes tensões, como ocorre em muitos casos práticos.

Conversor fly-back (sinais)
Fig 6-II

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, como acoplador ótico.


7) Controlador PWM

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A fonte da Figura 7-I 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. Conforme fabricante, a frequência aproximada de operação é dada por 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.

Exemplo de fonte chaveada
Fig 7-I

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.

Nota-se 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.
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