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Como Funcionam as Fontes Chaveadas (ART1448)

Pelo seu rendimento, não necessidade de transformadores volumosos e pesados, são as preferidas para os equipamentos de consumo.

De fato, o uso de transformadores com núcleos de ferrite, operação em freqüência fixa e não isolamento da rede de parte de seu circuito, limita seu uso a este tipo de aplicação.

Nas bancadas dos laboratórios de desenvolvimento, para o montador amador ou que está desenvolvendo um projeto, as fontes lineares ainda são as preferidas.

Neste artigo de nosso livro Fontes de Alimentação, vamos tratar dessas fontes, mostrando quais são suas vantagens e onde são utilizadas. Também teremos alguns projetos práticos.

Para que o leitor entenda melhor seu funcionamento, iniciaremos com uma breve revisão do funcionamento das fontes lineares para que elas possam ser comparadas com as fontes digitais.

 

FONTES LINEARES

Os aparelhos mais antigos como televisores e outros utilizavam fontes do tipo linear.

Nestas fontes, cujo circuito básico é mostrado na figura 1 temos uma etapa retificadora, de filtragem e um circuito regulador linear que se comporta como um resistor variável ou reostato.

Neste circuito o transistor Q1 controla a corrente na saída.

 

Figura 1 – Fonte linear ou analógica típica
Figura 1 – Fonte linear ou analógica típica

 

 

De acordo com as variações da tensão de saída, um circuito sensor "diz" ao regulador como sua resistência deve variar, aumentando ou diminuindo de modo a agir sobre o circuito de carga compensando as variações de tensão.

Desta forma, a tensão no circuito de carga pode ser mantida com boa precisão.

Se bem que este tipo de circuito funcione bem e ainda seja usado em muitas aplicações práticas, ele possui algumas limitações importantes.

Um deles é que a tensão do circuito é dividida entre o elemento regulador, normalmente um transistor de potência e a carga.

Isso significa que o transistor regulador estará sempre sendo percorrido por uma corrente intensa e submetido a uma tensão que varia, dissipando assim muita potência na forma de calor.

O rendimento deste tipo de regulador é portanto baixo, com perdas que podem se tornar grandes em circuitos que exigem altas correntes.

O segundo problema está no próprio custo do circuito que exige a utilização de transistores de potência com altas capacidades de dissipação e ainda utilizando grandes dissipadores de calor.

O próprio uso de grandes dissipadores de calor traz ainda outro problema adicional: o circuito deve ocupar muito espaço e ser bem ventilado.

Para superar estes problemas, os equipamentos de consumo que exigem potências elevadas passaram a utilizar um outro tipo de fonte de alimentação que se mostra muito mais eficiente.

 

CHAVEADAS OU COMUTADAS

As fontes chaveadas, comutadas ou do inglês SMPS (Switched Mode Power Supply) são fontes que controlam a tensão numa carga abrindo e fechando um circuito comutador de modo a manter pelo tempo de abertura e fechamento deste circuito a tensão desejada.

Para entender como isso é possível partimos do diagrama de blocos da figura 2.

 

Figura 2 – Fonte chaveada ou comutada em blocos
Figura 2 – Fonte chaveada ou comutada em blocos

 

 

Nele temos um transistor que funciona como uma chave controlando a tensão aplicada no circuito de carga.

Este circuito é ligado a um oscilador que gera um sinal retangular mas cuja largura do pulso pode ser controlada por um circuito sensor.

Se o tempo de condução do transistor for igual ao tempo em que ele permanece desligado, ou seja, se ele operar com um ciclo ativo de 50%, na média a tensão aplicada na carga será de 50% da tensão dos pulsos conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – A tensão média depende do ciclo ativo
Figura 3 – A tensão média depende do ciclo ativo

 

 

Se a tensão na carga cair, por um aumento de consumo, por exemplo, isso é percebido pelo circuito sensor que atuando sobre o oscilador faz com que seu ciclo ativo aumente.

Nestas condições, a tensão aplicada aumenta para compensar a queda.

Podemos, portanto, controlar a tensão carga variando a largura do pulso que comanda o transistor comutador.

Este processo de controle é denominado PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação Por Largura de pulso e tem várias vantagens quando o usamos numa fonte deste tipo.

A mais importante é que o transistor que controla a corrente na carga funciona como uma chave e portando ou está desligado (corrente nula) ou está ligado (corrente máxima).

Ocorre que, quando o transistor está desligado a corrente sendo nula não há dissipação de calor e quando ele está ligado sua resistência é mínima, quase zero, e da mesma forma, não há dissipação de calor.

Se o transistor fosse um comutador ideal apresentando resistência nula quando ligado, e infinita quando aberto, e ainda comutasse instantaneamente, a dissipação de calor nele seria nula, ou seja, não haveria nenhuma perda de energia ou geração de calor na fonte.

No entanto, isso não ocorre na prática: além de não ter uma resistência nula ao conduzir, o transistor demora certo tempo para comutar com um comportamento que é dado pela forma de onda da figura 4.

 

Figura 4 – Momentos em que a dissipação de calor é maior
Figura 4 – Momentos em que a dissipação de calor é maior

 

 

Temos então que durante o tempo em que a corrente demora para ir de zero até o máximo e vice-versa, o transistor passa por um estado "intermediário" em que energia é transformada em calor.

Isso significa que mesmo as fontes comutadas geram calor, mas ele é muitas vezes menor que as fontes comuns lineares.

Nos equipamentos de consumo como televisores, monitores de vídeo, etc., as fontes comutadas podem usar tanto transistores bipolares de potência como Power FETs e até mesmo SCRs.

Estas fontes se caracterizam pelo seu alto rendimento, não necessitando de grandes dissipadores de calor e podendo fornecer toda energia que os circuitos de um monitor precisam para o funcionamento normal.

 

Como Funcionam

Para que o leitor entenda seu princípio de funcionamento, vamos analisar um circuito prático, inicialmente dado em blocos na figura 5.

 

Figura 5 – Diagrama de blocos para análise do funcionamento
Figura 5 – Diagrama de blocos para análise do funcionamento

 

 

Esses blocos correspondem a uma fonte comum, com os mínimos elementos. Fontes mais sofisticadas com blocos adicionais podem ser encontradas na prática.

O bloco de entrada, ligado à rede de energia possui um retificador e um filtro contra EMI.

O filtro, normalmente é formado por um par de bobinas e capacitores numa configuração típica como a mostrada na figura 6.

 

Figura 6 – Filtro de entrada
Figura 6 – Filtro de entrada

 

 

O filtro é importante porque uma fonte chaveada ou comutada, como também é camada, produz variações de corrente muito grandes quando em funcionamento.

O chaveamento corresponde praticamente a uma carga que drena um sinal quadrado da rede de energia, gerando assim uma enorme quantidade de harmônicas que podem causar interferências em aparelhos próximos.

Essas interferências, que consistem em componentes de freqüências que vão desde a própria freqüência da rede até vários megahertz devem ser evitadas.

As bobinas, na configuração indicada, mais os capacitores funcionam como um filtro passa-baixas que só deixa passar a freqüência da rede, bloqueando tudo que estiver acima, em qualquer sentido.

Na maioria das fontes, a retificação é feita por diodos comuns de silício que podem estar ou não ligados em ponte, em configurações típicas como a mostrada na figura 7.

 

Figura 7 – O retificador de entrada
Figura 7 – O retificador de entrada

 

 

Mesmo as fontes que devem fornecer baixas tensões de saída, como as usadas em computadores, videocassetes, monitores, etc., não usam transformadores, retificando diretamente os 110 V ou 220 V da rede de energia.

Esse é um ponto importante a ser considerado, pois este setor dessas fontes apresenta perigo potencial de choque se for tocado.

Os fusíveis de proteção são colocados nesta etapa.

Temos a seguir o bloco oscilador que produz o chaveamento da fonte, normalmente sendo formado por circuitos integrados especificamente projetados para esta função.

Esse bloco é alimentado diretamente a partir da tensão retificada e filtrada do bloco anterior, normalmente passando por um circuito redutor, formado por resistores, um diodo zener e capacitor de filtro.

Na figura 8 temos uma configuração típica de circuito usado com esta finalidade.

 

Figura 8 – Configuração básica de fonte
Figura 8 – Configuração básica de fonte

 

 

Observe que, como o ciclo ativo do sinal que esse circuito produz deve variar em função da tensão de saída, mantendo-a constante, existe uma entrada para sensoriamento, que veremos mais adiante como funciona.

O sinal obtido neste circuito oscilador serve para chavear uma etapa de potência que funciona normalmente com transistores de alta potência, tanto bipolares como de efeito de campo, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Chaveamento da etapa de potência
Figura 9 – Chaveamento da etapa de potência

 

 

Os transistores possuem como carga o enrolamento primário de um transformador com núcleo de ferrite.

Como este circuito de chaveamento funciona diretamente com a tensão retificada e filtrada da rede de energia são usados transistores de alta potência, capazes de manusear altas correntes sob tensões que podem ultrapassar os 400 V de pico.

O transistor chaveador é o componente mais crítico dessas fontes poois, trabalhando em condições limites facilmente queima.

Existem variações para esta configuração como fontes encontradas em monitores de vídeo e televisores que, em lugar do circuito oscilador com um CI e um transistor de potência empregam unicamente um SCR como oscilador de relaxação.

Esse SCR, ligado numa configuração conforme mostra a figura 10, chaveia a tensão contínua de um capacitor que se carrega, numa velocidade que pode ser alterada por um sinal de sensoriamento.

 

Figura 10 – Etapa de chaveamento com SCR
Figura 10 – Etapa de chaveamento com SCR

 

 

Assim, controlando o ponto de chaveamento pode-se regular a tensão de saída da fonte.

O bloco seguinte da nossa fonte é o circuito secundário do transformador com núcleo de ferrite.

Esse transformador pode ter um ou mais secundário, conforme o número de tensões necessárias a alimentação do aparelho.

Normalmente os secundários podem ser elaborados com fios muito grossos, fornecendo correntes de dezenas de ampères, como no caso das fontes de computadores.

Na figura 11 temos uma configuração típica para os secundários de uma fonte chaveada de duas tensões.

 

Figura 11 – Secundários de baixa tensão de uma fonte chaveada
Figura 11 – Secundários de baixa tensão de uma fonte chaveada

 

 

Nesses secundários normalmente a retificação é simples como uma excelente filtragem garantida por um capacitor eletrolítico de valor muito elevado.

Reguladores de tensão comuns, como os de 3 terminais raramente são usados neste ponto, pois a regulagem da tensão é feita a partir do chaveamento do próprio transistor no primário do transformador.

Essa regulagem é feita por um bloco sensor que pode ter as mais diversas configurações.

O modo mais simples de se fazer a regulagem consiste em se derivar essa tensão para o circuito oscilador diretamente, usando para essa finalidade um transistor, conforme mostra a figura 12.

 

Figura 12 – Circuito regulador de tensão direto
Figura 12 – Circuito regulador de tensão direto

 

 

As variações da tensão de saída são “sentidas” pelo CI que as corrige mudando o ciclo ativo do sinal gerado.

No entanto, existem casos em que o isolamento da saída deve ser total, caso em que não deve haver uma conexão entre o circuito sensor dessa saída e o oscilador, diretamente ligado à rede de energia.

Para essa finalidade, a solução mais adotada é a que faz uso de um acoplador óptico, conforme mostra a figura 13.

 

Figura 13 – Controle de tensão usando acoplador óptico
Figura 13 – Controle de tensão usando acoplador óptico

 

 

O brilho do LED emissor do acoplador depende da tensão de saída, e esse brilho é sensoriado pelo foto-transistor do acoplador.

Alterações desse brilho e, portanto, da tensão de saída, alteram a condução do transistor sensor, modificando assim o ciclo ativo do circuito integrado oscilador.

Variações em torno desta configuração existem, mas como regra geral, os blocos funcionais são os mesmos.

 

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