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Cuidados com fontes de equipamentos industriais. (ART717)

Fontes de alimentação que encontramos em equipamentos industriais exigem um cuidado especial do projetista. Diferentemente das fontes lineares, as fontes chaveadas que são empregadas na maioria dos equipamentos são sensíveis ao meio em que operam e da mesma forma podem afetar os circuitos que alimentam e até mesmo de outros equipamentros próximos. Ao dimensionar e instalar uma fonte para aplicações o profissional deve estar atento a alguns pontos críticos que justamente serão alvo do artigo que apresentamos. Nesta atualização de 2012 apenas algumas sugestões sao dadas, já que o assunto se mantém bastante tual.

Os equipamentos industriais modernos, e também os usados em automação predial e residencial, em sua maioria, fazem uso de fontes chaveadas (Switched Mode Power Supplies) ou simplesmente SMPS. Diferentemente das fontes analógicas ou lineares comuns, essas fontes operam em freqüências algo elevadas e, utilizando dispositivos de comutação rápida, podem gerar harmônicas capazes de se propagar pelo próprio aparelho alimentado afetando outros setores ou mesmo chegar a equipamentos alimentados pela mesma rede, conforme ilustra a figura 1.

 

O ruído da fonte pode propagar-se para outros setores ou para equipamentos da mesma rede AC.
O ruído da fonte pode propagar-se para outros setores ou para equipamentos da mesma rede AC.

 

O profissional que está pensando em usar uma fonte desse tipo num equipamento industrial precisa estar atento a alguns pontos críticos, capazes de comprometer não só o desempenho da própria fonte como outros circuitos do aparelho alimentado e mesmo de equipamentos ligados nas proximidades. Analisemos melhor o problema.

 

Especificações de Carga

As fontes lineares comuns possuem capacitores de valores elevados que podem fornecer correntes elevadas quando a carga é ligada. Isso ocorre em especial quando motores, solenóides e outros dispositivos de mesmo comportamento elétrico são ligados.

Com as fontes chaveadas é preciso ter cuidado com a carga alimentada quando ela exigir correntes intensas por curtos intervalos de tempo, quando é ligada, por exemplo. Deve-se cuidar que a fonte seja capaz de fornecer uma corrente pelo menos 200% maior do que a corrente nominal por pelo menos alguns segundos.

Esse tempo, vai depender do tipo de carga acionada (quanto tempo ela demora para ter sua corrente estabilizada no valor nominal), conforme mostra a figura 2, de modo que a fonte não seja sobrecarregada.

 

Curvas de velocidade, tensão e corrente no caso de um motor elétrico sendo alimentado pela fonte chaveada.
Curvas de velocidade, tensão e corrente no caso de um motor elétrico sendo alimentado pela fonte chaveada.

 

Ruídos na Linha de Entrada

Nos ambientes industriais a tensão da rede de energia disponível não é das mais puras. Surtos, transientes e outras "sujeiras" podem estar presentes em grande quantidade.

As fontes de alimentação são tão sensíveis a essas perturbações da tensão que as alimenta quanto qualquer outro tipo de equipamento. Capacitores, semicondutores e diversos outros componentes de uma fonte podem ser levados a falhas por efeitos cumulativos de transientes e surtos da rede de energia em que o circuito em que eles se encontram está ligado.

Um problema grave que ocorre com as fontes é causado pela sua sensibilidade às variações da tensão de entrada.

Num ambiente industrial em que existam equipamentos de alto consumo capazes de drenar correntes extremamente intensas em determinados momentos, ocorrem oscilações da tensão da rede bastante intensas.

Numa queda de tensão num momento desses, uma fonte de alimentação pode ser afetada, interrompendo seu fornecimento de energia ou mesmo apresentando variações inadmissíveis da tensão de saída, conforme mostra a figura 3.

 

Variações inaceitáveis da tensão de saída da fonte de alimentação.
Variações inaceitáveis da tensão de saída da fonte de alimentação.

 

Se o circuito alimentado usar um microprocessador pode ocorrer o seu ressetamento com sérios problemas para o equipamento que ele estiver controlando.

Uma boa prática é sempre usar nos ambientes industriais fontes que tenham uma faixa de tensões de entrada a mais ampla possível. Por exemplo, se a tensão da rede for de 240 V e um "sag" (queda momentânea) derrubar a tensão para 140 V, a fonte que alimentar um equipamento ligado a essa rede deve manter sua saída mesmo com os 140 V. Fontes especificadas para tensões de entrada de 85 V a 250 V são comuns nas aplicações industriais.

 

Componentes Usados

Um problema importante que deve ser considerado ao se projetar ou adquirir uma fonte para uma aplicação industrial é a relacionada com a temperatura do ambiente em que ela opera.

A maioria das fontes usa capacitores eletrolíticos na filtragem ou desacoplamento de circuitos. Esses capacitores têm sua vida útil sensivelmente reduzida quando a temperatura de operação aumenta.

A degradação desses capacitores (perda gradual de capacitância) tem ainda uma conseqüência bastante séria para os circuitos alimentados: dependendo da sua função no circuito pode aumentar o nível ripple ou mesmo ruídos que chegam até a carga alimentada.

Conforme mostra a figura 4, a capacitância dos capacitores eletrolíticos também muda com a temperatura, afetando assim o desempenho do circuito em que eles se encontram.

 

Variação da capacitância dos eletrolíticos em função da temperatura de operação.
Variação da capacitância dos eletrolíticos em função da temperatura de operação.

 

Assim, ao se projetar uma fonte de alimentação para uso industrial deve-se tomar especial cuidado com a ventilação desses componentes e não somente com os dispositivos semicondutores. Os capacitores geram muito pouco calor quando em funcionamento, mas são sensíveis ao calor gerado por outros componentes.

Uma regra simples para a durabilidade desses componentes, mostra que a vida útil de um capacitor se reduz à metade para cada 100 oC centígrados de elevação de sua temperatura.

A maioria das fontes, em conseqüência dessa sensibilidade à temperatura, começam a ter suas características sensivelmente degradadas quando a temperatura passa dos 50 oC. Muitas delas operam com apenas 50% de sua capacidade quando a temperatura chega aos 70 oC.

 

Ambientes Hostis

Mas não é apenas o calor e uma rede de energia sujeita a problemas que ameaça uma fonte de alimentação para uso industrial.

O circuito em que essa fonte for instalada pode estar sujeito à vibrações transmitidas pela própria máquina que alimenta ou controla ou mesmo de equipamentos próximos.

A possibilidade de elementos dessa fonte entrarem em ressonância com essas vibrações deve ser considerada. Nessas condições, problemas precoces de funcionamento podem ocorrer como o rompimento de conexões, da própria placa e de junções soldadas não são difíceis de ocorrer.

Muitas fontes de uso industriais podem até seguir especificações militares (MIL) para as condições de uso, o que é altamente desejável, se o ambiente de operação estiver sujeito a vibrações e choques severos.

 

Conclusão

Uma fonte de alimentação para um equipamento industrial não é apenas uma fonte de alimentação. As condições específicas de uso, o tipo de energia que recebem e fornece é diferenciado.

Os profissionais da indústria que precisam substituir ou projetar fontes para determinados equipamentos devem estar atentos a todos as possíveis causas de problemas que podem ocorrer devido a um mal dimensionamento, má instalação ou mesmo condições adversas de uso. Muito mais spbre o assunto pode ser encontrado em outros artigos disponíveis no site.

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