8/18/2019 Como Funcionam as Fontes Chaveadas

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Como Funcionam as Fontes Chaveadas (ART1448)•

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

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

Nas bancadas dos laboratórios de desenvolvimento, para o montador amadorou que est desenvolvendo um pro!eto, as fontes lineares ainda são aspreferidas.

Neste arti"o de nosso livro #ontes de $limentação, vamos tratar dessas fontes,mostrando quais são suas vanta"ens e onde são utili%adas. &amb'm teremosal"uns pro!etos prticos.

Para que o leitor entenda mel(or seu funcionamento, iniciaremos com uma

breve revisão do funcionamento das fontes lineares para que elas possam sercomparadas com as fontes di"itais.

 

FONTES LINEARES

)s aparel(os mais anti"os como televisores e outros utili%avam fontes do tipolinear.

Nestas fontes, cu!o circuito bsico ' mostrado na fi"ura * temos uma etaparetificadora, de filtra"em e um circuito re"ulador linear que se comporta comoum resistor varivel ou reostato.

Neste circuito o transistor +* controla a corrente na sada.

 

Figua 1 ! Fonte "inea ou ana"#gica t$%ica

 

De acordo com as variaç-es da tensão de sada, um circuito sensor di% ao re"ulador como sua resistência deve variar,

aumentando ou diminuindo de modo a a"ir sobre o circuito de car"a compensando as variaç-es de tensão.

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

/e bem que este tipo de circuito funcione bem e ainda se!a usado em muitas aplicaç-es prticas, ele possui al"umas

limitaç-es importantes.

0m deles ' que a tensão do circuito ' dividida entre o elemento re"ulador, normalmente um transistor de potência e a car"a.

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1sso si"nifica que o transistor re"ulador estar sempre sendo percorrido por uma corrente intensa e submetido a uma tensão

que varia, dissipando assim muita potência na forma de calor.

) rendimento deste tipo de re"ulador ' portanto baixo, com perdas que podem se tornar "randes em circuitos que exi"em altas

correntes.

) se"undo problema est no próprio custo do circuito que exi"e a utili%ação de transistores de potência com altas capacidades

de dissipação e ainda utili%ando "randes dissipadores de calor.

) próprio uso de "randes dissipadores de calor tra% ainda outro problema adicional2 o circuito deve ocupar muito espaço e ser

bem ventilado.

Para superar estes problemas, os equipamentos de consumo que exi"em potências elevadas passaram a utili%ar um outro tipo

de fonte de alimentação que se mostra muito mais eficiente.

 

C&A'EAAS O CO*TAAS

 $s fontes c(aveadas, comutadas ou do in"lês /3P/ 4/5itc(ed 3ode Po5er /uppl67 são fontes que controlam a tensão numa

car"a abrindo e fec(ando um circuito comutador de modo a manter pelo tempo de abertura e fec(amento deste circuito a

tensão dese!ada.

Para entender como isso ' possvel partimos do dia"rama de blocos da fi"ura 8.

 

Figua + ! Fonte chaveada ou comutada em ,"ocos

 

Nele temos um transistor que funciona como uma c(ave controlando a tensão aplicada no circuito de car"a.

9ste circuito ' li"ado a um oscilador que "era um sinal retan"ular mas cu!a lar"ura do pulso pode ser controlada por um

circuito sensor.

/e o tempo de condução do transistor for i"ual ao tempo em que ele permanece desli"ado, ou se!a, se ele operar com um ciclo

ativo de :;

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Figua - ! A tens.o m/dia de%ende do cic"o ativo

 

/e a tensão na car"a cair, por um aumento de consumo, por exemplo, isso ' percebido pelo circuito sensor que atuando sobre

o oscilador fa% com que seu ciclo ativo aumente.

Nestas condiç-es, a tensão aplicada aumenta para compensar a queda.

Podemos, portanto, controlar a tensão car"a variando a lar"ura do pulso que comanda o transistor comutador.

9ste processo de controle ' denominado P>3 4Pulse >idt( 3odulation7 ou 3odulação Por ?ar"ura de pulso e tem vrias

vanta"ens quando o usamos numa fonte deste tipo.

 $ mais importante ' que o transistor que controla a corrente na car"a funciona como uma c(ave e portando ou est desli"ado

4corrente nula7 ou est li"ado 4corrente mxima7.

)corre que, quando o transistor est desli"ado a corrente sendo nula não ( dissipação de calor e quando ele est li"ado sua

resistência ' mnima, quase %ero, e da mesma forma, não ( dissipação de calor.

/e o transistor fosse um comutador ideal apresentando resistência nula quando li"ado, e infinita quando aberto, e ainda

comutasse instantaneamente, a dissipação de calor nele seria nula, ou se!a, não (averia nen(uma perda de ener"ia ou

"eração de calor na fonte.

No entanto, isso não ocorre na prtica2 al'm de não ter uma resistência nula ao condu%ir, o transistor demora certo tempo para

comutar com um comportamento que ' dado pela forma de onda da fi"ura @.

 

Figua 4 ! *omentos em 0ue a dissi%a.o de ca"o / maio 

 

&emos então que durante o tempo em que a corrente demora para ir de %ero at' o mximo e viceAversa, o transistor passa por

um estado intermedirio em que ener"ia ' transformada em calor.

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1sso si"nifica que mesmo as fontes comutadas "eram calor, mas ele ' muitas ve%es menor que as fontes comuns lineares.

Nos equipamentos de consumo como televisores, monitores de vdeo, etc., as fontes comutadas podem usar tanto transistores

bipolares de potência como Po5er #9&s e at' mesmo /BCs.

9stas fontes se caracteri%am pelo seu alto rendimento, não necessitando de "randes dissipadores de calor e podendo fornecer 

toda ener"ia que os circuitos de um monitor precisam para o funcionamento normal.

 

Como Funcionam

Para que o leitor entenda seu princpio de funcionamento, vamos analisar um circuito prtico, inicialmente dado em blocos na

fi"ura :.

 

Figua 2 ! iagama de ,"ocos %aa an3"ise do uncionamento

 

9sses blocos correspondem a uma fonte comum, com os mnimos elementos. #ontes mais sofisticadas com blocos adicionais

podem ser encontradas na prtica.

) bloco de entrada, li"ado rede de ener"ia possui um retificador e um filtro contra 931.

) filtro, normalmente ' formado por um par de bobinas e capacitores numa confi"uração tpica como a mostrada na fi"ura E.

 

Figua 5 ! Fi"to de entada

 

) filtro ' importante porque uma fonte c(aveada ou comutada, como tamb'm ' camada, produ% variaç-es de corrente muito

"randes quando em funcionamento.

) c(aveamento corresponde praticamente a uma car"a que drena um sinal quadrado da rede de ener"ia, "erando assim uma

enorme quantidade de (armFnicas que podem causar interferências em aparel(os próximos.

9ssas interferências, que consistem em componentes de freqüências que vão desde a própria freqüência da rede at' vrios

me"a(ert% devem ser evitadas.

 $s bobinas, na confi"uração indicada, mais os capacitores funcionam como um filtro passaAbaixas que só deixa passar a

freqüência da rede, bloqueando tudo que estiver acima, em qualquer sentido.

Na maioria das fontes, a retificação ' feita por diodos comuns de silcio que podem estar ou não li"ados em ponte, em

confi"uraç-es tpicas como a mostrada na fi"ura G.

 

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Figua 6 ! O etiicado de entada

 

3esmo as fontes que devem fornecer baixas tens-es de sada, como as usadas em computadores, videocassetes, monitores,

etc., não usam transformadores, retificando diretamente os **; H ou 88; H da rede de ener"ia.

9sse ' um ponto importante a ser considerado, pois este setor dessas fontes apresenta peri"o potencial de c(oque se for

tocado.

)s fusveis de proteção são colocados nesta etapa.

&emos a se"uir o bloco oscilador que produ% o c(aveamento da fonte, normalmente sendo formado por cicuitosintegados especificamente pro!etados para esta função.

9sse bloco ' alimentado diretamente a partir da tensão retificada e filtrada do bloco anterior, normalmente passando por um

circuito redutor, formado por resistores, um diodo %ener e capacitor de filtro.

Na fi"ura I temos uma confi"uração tpica de circuito usado com esta finalidade.

 

Figua 8 ! Conigua.o ,3sica de onte

 

)bserve que, como o ciclo ativo do sinal que esse circuito produ% deve variar em função da tensão de sada, mantendoAa

constante, existe uma entrada para sensoriamento, que veremos mais adiante como funciona.

) sinal obtido neste circuito oscilador serve para c(avear uma etapa de potência que funciona normalmente com transistores

de alta potência, tanto bipolares como de efeito de campo, conforme mostra a fi"ura J.

 

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Figua 7 ! Chaveamento da eta%a de %otncia

 

)s transistores possuem como car"a o enrolamento primrio de um transformador com núcleo de ferrite.

Bomo este circuito de c(aveamento funciona diretamente com a tensão retificada e filtrada da rede de ener"ia são usados

transistores de alta potência, capa%es de manusear altas correntes sob tens-es que podem ultrapassar os @;; H de pico.

) transistor c(aveador ' o componente mais crtico dessas fontes poois, trabal(ando em condiç-es limites facilmente queima.

9xistem variaç-es para esta confi"uração como fontes encontradas em monitores de vdeo e televisores que, em lu"ar do

circuito oscilador com um B1 e um transistor de potência empre"am unicamente um /BC como oscilador de relaxação.

9sse /BC, li"ado numa confi"uração conforme mostra a fi"ura *;, c(aveia a tensão contnua de um capacitor que se carre"a,

numa velocidade que pode ser alterada por um sinal de sensoriamento.

 

Figua 19 ! Eta%a de chaveamento com SCR

 

 $ssim, controlando o ponto de c(aveamento podeAse re"ular a tensão de sada da fonte.

) bloco se"uinte da nossa fonte ' o circuito secundrio do transformador com núcleo de ferrite.

9sse transformador pode ter um ou mais secundrio, conforme o número de tens-es necessrias a alimentação do aparel(o.

Normalmente os secundrios podem ser elaborados com fios muito "rossos, fornecendo correntes de de%enas de ampKres,

como no caso das fontes de computadores.

Na fi"ura ** temos uma confi"uração tpica para os secundrios de uma fonte c(aveada de duas tens-es.

 

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Figua 11 ! Secund3ios de ,ai:a tens.o de uma onte chaveada

 

Nesses secundrios normalmente a retificação ' simples como uma excelente filtra"em "arantida por um capacitor eletroltico

de valor muito elevado.

Ce"uladores de tensão comuns, como os de = terminais raramente são usados neste ponto, pois a re"ula"em da tensão ' feita

a partir do c(aveamento do próprio transistor no primrio do transformador.

9ssa re"ula"em ' feita por um bloco sensor que pode ter as mais diversas confi"uraç-es.

) modo mais simples de se fa%er a re"ula"em consiste em se derivar essa tensão para o circuito oscilador diretamente,

usando para essa finalidade um transistor, conforme mostra a fi"ura *8.

 

Figua 1+ ! Cicuito egu"ado de tens.o dieto

 

 $s variaç-es da tensão de sada são LsentidasM pelo B1 que as corri"e mudando o ciclo ativo do sinal "erado.

No entanto, existem casos em que o isolamento da sada deve ser total, caso em que não deve (aver uma conexão entre o

circuito sensor dessa sada e o oscilador, diretamente li"ado rede de ener"ia.

Para essa finalidade, a solução mais adotada ' a que fa% uso de um acoplador óptico, conforme mostra a fi"ura *=.

 

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Figua 1- ! Conto"e de tens.o usando aco%"ado #%tico

 

) bril(o do ?9D emissor do acoplador depende da tensão de sada, e esse bril(o ' sensoriado pelo fotoAtransistor do

acoplador.

 $lteraç-es desse bril(o e, portanto, da tensão de sada, alteram a condução do transistor sensor, modificando assim o ciclo

ativo do circuito inte"rado oscilador.

Hariaç-es em torno desta confi"uração existem, mas como re"ra "eral, os blocos funcionais são os mesmos