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segunda-feira, 17 de agosto de 2009

Fontes de alimentação


Introdução



A maioria dos circuitos eletrônicos requer correntes contínuas para a operação. Aparelhos que usam a rede elétrica precisam de um circuito para converter a tensão alternada para tensão ou tensões contínuas necessárias. Mesmo em aparelhos que usam pilhas ou baterias, pode haver necessidade de conversão da tensão para níveis de operação dos circuitos.

Uma fonte ideal não deve apresentar perdas, a tensão fornecida deve ser contínua pura, sem ondulações e constante, independente da variação da carga. É evidente que isso não existe na prática, mas a evolução dos circuitos (de fontes ou quaisquer outros) ocorre sempre no sentido da aproximação com o ideal.

Nesta primeira página são dadas informações básicas. O propósito é começar a partir dos conceitos mais simples e chegar até aos arranjos mais utilizados nos tempos atuais.



Circuitos básicos de fontes



O processo fundamental da fonte é a retificação, isto é, a transformação da corrente alternada em contínua. Isto é feito normalmente por diodos, componentes que só permitem a passagem da corrente em uma direção.

Retificador de meia onda
Figura 01
Na Figura 01 deste tópico, o exemplo mais simples de fonte: o transformador reduz ou eleva a tensão da rede para o valor desejado e um único diodo só 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 valor de pico da tensão do secundário do transformador.

Retificador de onda completa
Figura 02
O circuito anterior é pouco eficiente e de elevada ondulação, pois a metade do ciclo não é aproveitada. Na Figura 02 um circuito de onda completa, que usa ambos os semiciclos.

O secundário do transformador é duplo, com ligação em cascata, devendo cada lado ter a tensão desejada na saída da fonte.

A ondulação da corrente de saída é visivelmente menor que a do circuito de meia-onda.

O circuito da Figura 02 foi o pioneiro, dos tempos em que os diodos eram válvulas termiônicas, que ocupavam considerável espaço e representavam certo custo. É relativamente pouco usado nos dias atuais.

Retificador de onda completa em ponte
Figura 03
Na Figura 03, 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.



Filtros



Os retificadores vistos no tópico anterior fornecem apenas correntes contínuas pulsantes, que são inadequadas para a maioria dos circuitos.

Soma de correntes (alternada e contínua)
Figura 01
Uma corrente contínua pulsante pode ser considerada a soma de um componente CA e de um componente CC.

A Figura 01 deste tópico 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 claramente uma corrente contínua de valor médio Vm, ondulada de acordo com as variações do componente alternado.

Fica evidente, portanto, que uma fonte deve dispor de filtro para reduzir o valor do componente CA ao nível aceitável pelo circuito que ela alimenta.

Filtro RC
Figura 02
O parâmetro para indicar a qualidade da corrente pulsante é denominado fator de ondulação, que é calculado por:

r = Vef / Vm #A.1#. Onde:

Vef: valor eficaz do componente CA.

Vm: valor médio conforme já visto.

O símbolo "r" tem relação com a palavra inglesa equivalente ripple, que é bastante usual em literatura técnica.

É claro que o filtro deve reduzir r para o menor valor possível (nulo, no caso ideal). Na Figura 02, um filtro simples e bastante usado: um capacitor na saída do retificador.

Ondulação
Figura 03
O componente CA após o retificador (meia-senóide 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 03.

O fator de ondulação aproximado para o filtro capacitivo é:

r = 1 / (2 √ 3 f R C) #A.2#. Onde:

f: freqüência 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:

Vm ≈ Vp − I / (2 f C) #A.3#. Onde I é a corrente na carga.

Filtro LC
Figura 04
A Figura 04 mostra um filtro LC, isto é, um indutor seguido de um capacitor.

Comparação filtro RC e LC
Figura 05
E a Figura 05 dá a comparação típica da variação da tensão de saída em função da carga para ambos os dois tipos de filtros.

Notar 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.

Filtro pi
Figura 06
O arranjo dado na Figura 06 é uma combinação dos tipos anteriores e bastante utilizado.

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.



Fontes estabilizadas



Conforme tópico anterior, o filtro LC apresenta uma região de tensão constante, independente da corrente da carga. Mas isso ocorre apenas em teoria.

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
Figura 01
Se o circuito alimentado exigir uma tensão razoavelmente constante, um simples filtro não poderá garantir isso.

Na Figura 01, 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.

Fonte estabilizada regulável
Figura 01
O circuito de controle pode proporcionar outras funções, como o ajuste da tensão de saída e proteção contra sobrecargas ou curtos-circuitos.

Na Figura 02, 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.



Características das fontes estabilizadas



As fontes que operam conforme tópico anterior são chamadas 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 queda de tensão no mesmo 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.

Fontes chaveadas



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
A seguir, definições de alguns parâmetros.

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.

Modulação por largura de pulso
Figura 01
E a tensão média na carga será dada por:

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



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.

Conversor step-down
Figura 01
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.

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


Conversor step-up
Figura 01
O circuito da Figura 01 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).

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



Inversor
Figura 01
O circuito da Figura 01 deste tópico é uma modificação do anterior, isto é, transistor e indutor têm posições trocadas e a polaridade do diodo é invertida.

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



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



Conversor fly-back
Figura 01
A Figura 01 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 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.

Figura 02
E pode também ter mais de um secundário para fornecer diferentes tensões, como ocorre em muitos casos práticos.

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



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.

Exemplo de fonte chaveada
Figura 01
Conforme fabricante, a freqüência 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.

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.


Exemplo de fonte I



Exemplo de fonte de monitor
Figura 01
A Figura 01 deste tópico dá o circuito da fonte de um monitor de vídeo comercial.

Notar que é apenas a parte do chaveamento. Não estão indicadas a retificação da tensão da rede e o restante (filtros, etc) das saídas dos transformadores.

É uma fonte dupla. O circuito de baixo (T706, TR703 ...) fornece tensão para o circuito de saída horizontal e o circuito de cima (T702, TR702 ...), fornece tensões para o restante do aparelho.

O catodo do led do acoplador ótico 4N25 está ligado às saídas da fonte, não diretamente mas sim através de um pequeno circuito aqui não dado e, por isso, indicado por uma linha tracejada. Assim, ele proporciona a realimentação eletricamente isolada para a modulação dos pulsos a partir da saída, conforme mencionado em tópicos anteriores.

No circuito da parte inferior, TR704 é um pequeno transformador auxiliar que recebe sinal na freqüência do sincronismo horizontal. Os seus pulsos retificados e não filtrados são aplicados ao pino 4 de ambos os controladores PWM UC3842. Isso resulta em uma sincronização da varredura horizontal com os pulsos de chaveamento, para evitar interferências indesejáveis.

Em muitos monitores de vídeo, o sinal para sincronização é obtido com uma simples espira de um fio isolado em torno do núcleo do transformador de saída horizontal.



Exemplo de fonte II



A figura abaixo dá o esquema da fonte de um aparelho de fax comercial. Aspectos de operação são basicamente os mesmos já vistos nesta página e na anterior. O integrado IC5 é um detector de tensão e mais detalhes podem ser vistos nas páginas de elementos eletrômicos deste site.

Exemplo de fonte de fax
Figura 01

Obs: o esquema foi levantado a partir da placa e ainda está sujeito à revisão.



Conversores de freqüência



Existe uma variedade de tipos de motores elétricos. Em máquinas industriais e similares, o motor de indução trifásico é de longe o mais usado. Isso é conseqüência da sua eficiência e simplicidade: as bobinas que geram os campos magnéticos ficam na parte fixa (estator) e o rotor é apenas uma gaiola condutora com um núcleo de lâminas de aço montadas em um eixo, sem contato elétrico direto. Na prática, as peças que se desgastam são apenas os rolamentos dos mancais.

Entretanto, o motor trifásico apresenta uma desvantagem: sua rotação não é (ou melhor, não era) facilmente ajustável. A rotação do campo magnético é dada por ω = 60 f / p, onde f é a freqüência da rede e p, o número de pares de pólos. A rotação do eixo é um pouco menor devido ao necessário deslizamento do rotor em relação ao campo magnético girante. O número de pólos é uma característica construtiva e, portanto, não ajustável e a freqüência da rede também não é variável.

Durante muito tempo, motores de corrente contínua foram usados em aplicações de velocidade variável. Entretanto, eles são mais caros. O rotor tem enrolamentos que recebem corrente elétrica através de coletores e escovas que se desgastam.

PWM para corrente senoidal
Figura 01
Até aqui, foram vistas aplicações da modulação por largura de pulso para fornecer tensões contínuas ajustáveis, isto é, os pulsos têm a mesma polaridade.

A Figura 01 mostra uma outra aplicação. Os pulsos podem ser positivos ou negativos e uma modulação adequada pode resultar em valores médios que se aproximam de uma corrente senoidal.

Microprocessadores e outros circuitos digitais podem produzir seqüências com períodos T ajustáveis, ou seja, pode-se variar a freqüência e, assim, controlar a rotação de um motor de indução. Nesse caso, será necessário o ajuste simultâneo da tensão de pico média Vp devido ao efeito da indutância, isto é, se a freqüência aumenta, será preciso uma tensão maior e vice-versa.

Equipamentos industriais operam em geral com potências altas em relação à maioria dos aparelhos eletrônicos comuns. A comutação exige portanto semicondutores de potência, cujo alto custo (e também dos microcontroladores) inibiu o emprego até certa época. Atualmente, com a redução relativa dos preços, o uso está bastante disseminado.

Conversor de freqüência
Figura 02
A Figura 02 dá o diagrama básico de um conversor de freqüência típico.

A tensão trifásica rst é aplicada ao bloco de entrada E, que consiste do elemento de ligação (chave seccionadora) e elementos de proteção (fusíveis e/ou disjuntores).

Os seis diodos seguintes fazem a retificação e o indutor L e o capacitor C atuam como filtro.

Os seis transistores à direita, com diodos para prevenir picos de tensões inversas, fazem a comutação PWM, comandada por um circuito lógico indicado como bloco. Notar que cada fase contém dois transistores em oposição de polaridades. Isso permite aplicação de pulsos positivos ou negativos conforme figura anterior.

A chave S (simbolizada mecânica por clareza. Normalmente é um semicondutor) fica aberta na partida, deixando a resistência R em série para evitar pico de corrente devido à carga do capacitor. É fechada na operação normal.

A realimentação ou realimentações (RContr na figura) dependem da aplicação. Por exemplo, pode ser um sensor de rotação do motor para um controle preciso da velocidade. Outro exemplo: um inversor pode ser usado em um motor de uma bomba d'água que alimenta uma rede de consumo variável. Nesse caso, seria usado um sensor de pressão na saída da bomba. Se o consumo de água aumenta, a pressão tende a diminuir e o sistema aumenta a rotação do motor para restabelecer a pressão ajustada. Muitas vezes, os conversores trabalham em conjunto com outros elementos de controle, como CLPs, CNCs, etc.

E alguém pode perguntar: os motores de corrente contínua ainda têm utilidade em equipamentos de potência? Têm sim. São mais adequados quando há exigência de elevado torque de partida, como tração elétrica (ônibus elétricos, metrôs, empilhadeiras, etc).



Fontes ATX



Pino Nome Cor Descrição
1 3,3V Laranja +3,3 V
2 3,3V Laranja +3,3 V
3 COM Preto Terra
4 5V Vermelho +5 V
5 COM Preto Terra
6 5V Vermelho +5 V
7 COM Preto Terra
8 PWR_OK Cinza Fonte Ok
9 5VSB Violeta +5 V standby
10 12V Amarelo +12 V
11 3,3V Laranja +3,3 V
12 −12V Azul −12 V
13 COM Preto Terra
14 PS_ON Verde Ligar fonte
15 COM Preto Terra
16 COM Preto Terra
17 COM Preto Terra
18 −5V Branco −5 V
19 5V Vermelho +5 V
20 5V Vermelho +5 V
O propósito deste tópico não é dar diagrama de fontes ATX usadas em computadores. Apenas a descrição e tensões dos pinos, o que pode ser útil em caso de reparos.

Conector ATX

Um diagnóstico simples que pode ser feito com uma fonte ATX é desconectar da placa-mãe, ligar na rede e medir a tensão no pino 8 (power OK, cinza).

Se estiver acima de 2 V, provavelmente a fonte está boa e vice-versa.

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