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Fontes Chaveadas - Revisando Conceitos Básicos (ART711)

Fontes lineares não são quase mais usadas nos equipamentos mopdernos. Em seu lugar as fontes chaveadas, fontes comutadas ou Switched Mode Power Supplies - abreviadamente SMPS, já estão presentes numa grande quantidade de equipamentos modernos. Essta fontes consistem na solução ideal para os casos em que se necessita de alto rendimento e tamanho reduzido, substituindo as tradicionais fontes lineares. Apesar de estarem presentes em toda parte ainda são muitos os profissionais que não dominam totalmente o seu princípio de funcionamento, o que é de extrema importância, quando se pretende trabalhar com uma. Nesse artigo revisamos alguns conceitos básicos sobre o funcionamento desse tipo de fonte. Muito mais sobre estas fontes pode ser encontrado após a revisão do artigo em 2012, no site do autor e em seus livros. Assim, nesta versão revisada temos a revisão atualizada de alguns ceonceitos que pouco se alteram com o tempo.

 

Fonte chaveada do tipo usado em computadores.

As fontes chaveadas não são tão modernas quanto se possa pensar. Já há muito tempo elas têm sido usadas em aplicações em que o rendimento e o espaço ocupado são requisitos importantes para esse tipo de aplicação. Assim, nas aplicações militares, aeronáuticas e aeroespaciais, as fontes desse tipo já estão presentes há muito anos.

No entanto, com os mesmos requisitos de rendimento e tamanho cada vez mais presentes nos equipamentos de consumo, as fontes chaveadas hoje estão presentes em quase todos eles. Monitores de vídeo, televisores, carregadores de celulares, computadores são apenas alguns exemplos de equipamentos que fazem uso desse tipo de fonte.

As fontes chaveadas são importantes porque apresentam diversas vantagens em relação aos tipos comuns de fontes lineares tais como:

* Rendimento muito maior com conseqüente menor geração de calor

* Regulagem muito melhor

* Muito menor tamanho e peso (não precisam dos pesados transformadores com núcleo laminado)

 

As fontes lineares ou analógicas comuns têm baixa eficiência porque devem dissipar o excesso de tensão, para fazer sua redução, na forma de calor. Uma fonte linear típica tem um rendimento inferior a 50%. Por outro lado, as fontes chaveadas chegam a alcançar 98% de eficiência. Na realidade, a cadarevisão que fazemos deste artigo, as fontes têm seu rendimento aumentado, graças às novas tecnologias que vão sendo criadas.

 


Um pouco de história

Na verdade o conceito de se chavear uma tensão de modo a se fazer sua regulagem ou ainda permitir que seu valor seja alterado é muito antigo. Nos carros antigos (década de 30 e 40) os rádios ainda eram valvulados precisando de tensões elevadas para polarização. Essa tensão elevada era conseguida com um circuito chaveador eletro-mecânico, o vibrador.

Ligando e desligando a linha de alimentação de 6 V de um carro era possível obter um sinal pulsante facilmente alterado com o uso de transformadores e outros recursos. Na figura 1 mostramos um antigo circuito vibrador de carro usado para se obter o "+B" de um rádio a válvulas a partir de uma pilha de 1,5 V.

 

Circuito vibrador usado em carros antigos. (1930/1940).
Circuito vibrador usado em carros antigos. (1930/1940).

 

 

Nos equipamentos mais modernos já podemos encontrar a tecnologia de chaveamento de tensão em circuitos como os que produzem a alta tensão para o cinescópio de um televisor. O circuito de flyback de um televisor, se não é chamado de fonte chaveada, o modo que ele opera é comutado.

No entanto, as tecnologias de chaveamento e alteração das tensões com rendimento muito alto evoluíram, passando a usar dispositivos de alto sólido de grande eficiência como os MOSFETs de potência além dos transformadores com núcleos de ferrite. Operando em freqüências muito altas os transformadores podem ser pequenos e ter rendimentos muito elevados.

 

Princípio de Operação

A idéia básica que envolve a operação de uma fonte chaveada, como seu próprio nome indica, é chavear uma tensão, ou seja, ligar e desligar um circuito de modo que, na média possamos obter o valor de tensão desejado, conforme mostra a figura 2.

 

 

Chaveamento da tensão usando um transistor como comutador.
Chaveamento da tensão usando um transistor como comutador.

 

 

Essa tensão pulsante obtida pode ser filtrada e aplicada à carga ou então aplicada a um transformador para ser depois retificada e filtrada como numa fonte convencional linear. Para entender como funciona uma fonte chaveada típica podemos partir do diagrama básico mostrado na figura 3.

 

 

 

Diagrama básico de uma fonte chaveada.
Diagrama básico de uma fonte chaveada.

 

 

Na entrada temos um circuito de retificação e filtragem que fornece uma tensão contínua não regulada para o sistema. Essa tensão alimenta o circuito de chaveamento e controle.

O circuito de controle gera um sinal PWM (Pulse Width Modulation) - de que trataremos mais adiante, para o chaveamento de um transistor, que no modelo dado é bipolar, mas que nos circuitos mais modernos costuma ser de efeito de campo de potência.

O chaveamento do transistor faz com que ele alimente com uma tensão pulsante um transformador, cujas características vão depender da tensão que se deseja na saída da fonte. Esse transformador é importante, pois ele também atua como o elemento de isolamento que isola o circuito de saída da fonte da rede de energia, nos casos em que isso é necessário.

Para regular a tensão de saída existe um divisor de tensão que a amostra constantemente, fornecendo um sinal de realimentação que controla o oscilador. Modificando a freqüência ou o ciclo ativo (conforme veremos) do oscilador, a tensão induzida no transformador se altera e com isso a tensão de saída pode ser regulada.

Nesse exemplo, o circuito de realimentação é direto, caso em que se perde o isolamento entre a entrada e saída, mas nos circuitos normais, é feito através de recursos como isoladores ópticos ou transformadores, que mantém essa característica de isolamento da fonte.

 

O Problema da regulagem

As fontes lineares convencionais, utilizam uma tensão de referência para determinar a forma com um elemento de potência (um transistor bipolar) conduz mantendo assim a tensão constante numa carga, dentro de uma faixa de correntes drenadas, conforme mostra o circuito básico da figura 4.

 

 

Regulador - série com diodo zener.
Regulador - série com diodo zener.

 

Numa fonte chaveada, a tensão de saída é mantida através da variação da freqüência (PRM) ou da largura dos pulsos aplicados (PWM). Existem, portanto duas tecnologias de controle nas fontes chaveadas para as quais o profissional deve estar atento ao fazer um projeto, análise ou diagnóstico de problemas.

 

PWM - Pulse Width Modulation

Na regulagem por PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de pulso) o que se faz é modificar a largura do pulso aplicado à carga ou ciclo ativo, de modo que a tensão média que o sinal representa possa ser alterada, conforme mostra a figura 5.

 

Regulagem da fonte chaveada através de modulação PWM.
Regulagem da fonte chaveada através de modulação PWM.

 

 

Assim se o sinal tiver um ciclo ativo de 50%, a tensão média aplicada à carga será de 50% da tensão de entrada. Se a corrente na carga aumentar fazendo com que a tensão caia, o circuito compensa isso aumentando o ciclo ativo do sinal. O controle é feito por um sistema de realimentação.

Observe que nesse sistema, o que se modifica é a duração do pulso ou o ciclo ativo. A freqüência do sinal permanece constante. Isso é conseguido, aumentando-se o período OFF na mesma proporção que o período ON diminui e vice-versa, de modo que a soma da duração dos dois (período) se mantenha constante.

 

PRM - Pulse Rate Modulation

Nesse tipo de modulação, em que temos a modulação da taxa de pulsos, altera-se somente a duração do pulso, conforme mostra a figura 6.

 

Modulação PRM - mantendo 12 V sobre a carga.
Modulação PRM - mantendo 12 V sobre a carga.

 

Com isso, quando a largura do pulso (tempo ON) diminui, o tempo OFF não se altera. O resultado é que é a soma dos dois tempos diminui e com isso o período. Temos então um aumento da freqüência ou da taxa de repetição dos pulsos.

Um regulador desse tipo pode ter sua freqüência em torno de 100 kHz nas condições em que se encontra sem carga e essa freqüência pode cair para menos de 50 kHz na condição de plena carga.

Uma desvantagem desse tipo de regulagem é que a alteração da freqüência traz alguns problemas para o projeto dos circuitos contra EMI, já que eles não estarão operando numa freqüência fixa.

 

Uma Fonte Completa

Na figura 7 temos o diagrama de uma fonte chaveada em blocos com todas as funções.

 

 

Diagrama de uma fonte chaveada.
Diagrama de uma fonte chaveada.

 

 

Nessa fonte temos os blocos do modelo básico com que começamos esse artigo mais alguns outros adicionais. Um deles é o bloco standby (espera) que coloca a fonte num estado de baixo consumo quando ela não é exigida por um certo tempo. Um outro bloco importante é o de acionamento externo que permite ligar e desligar a fonte por software.

 

Conclusão

As fontes chaveadas se tornam cada vez mais comuns em todos os tipos de equipamentos que usamos. Componentes específicos para esse tipo de aplicação possibilitam um crescente aumento de seu rendimento além de agregar recursos que as torna muito melhores.

Entender como essas fontes funcionam e as diversas tecnologias de que se dispõe hoje é fundamental para todos os profissionais da eletrônica.

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