Se bem que as fontes chaveadas tenham um rendimento muito maior do que as fontes lineares comuns, elas ainda não podem ser consideradas ideais. Com o uso de uma tecnologia diferenciada, as fontes chaveadas ressonantes podem ir além com um rendimento muito maior do que as fontes chaveadas convencionais, reduzindo as perdas e possibilitando obter maior potência com os mesmos componentes básicos. Veja neste artigo o que são fontes ressonantes e como elas podem ser usadas em aplicações de todos os tipos.
As fontes chaveadas fazem parte da maioria dos equipamentos eletrônicos modernos, dos usados na industria e laboratório de desenvolvimento aos de uso doméstico e profissional como os computadores e monitores de vídeo.
No entanto, mesmo tendo um rendimento muito maior do que as fontes lineares convencionais além de não exigirem os pesados e caros transformadores com núcleo lâminado, as fontes chaveadas comuns ainda têm algumas desvantagems que em determinadas aplicações podem ser importantes para os projetos.
Uma alternativa que tem vantagens (e desvantagens) em relação às fontes chaveadas comuns é a fonte ressonante da qual nos propomos descrever neste artigo.
Princípio de Funcionamento:
Para entender o funcionamento deste tipo de fonte vamos partir de um circuito simples que consiste numa chave ressonante alimentando uma carga e que é mostrada na figura 1.
A ideia básica dos dois circuitos mostrados na figura 1 é escolher L e C de tal, forma que o rítmo de abertura e fechamento do interruptor corresponda a frequência de ressonância do circuito LC que eles formam.
Desta forma, em função da ressonância do circuito assegura-se que mesmo abrindo e fechando a chave numa frequência fixa o que corresponderia a um sinal retangular aplicado numa carga resistiva, teríamos em lugar disso a subida e descida da corrente no circuito gerando-se desta forma um sinal senoidal. A carga e descarga do capacitor e a expansão e contração do campo no indutorn garantem a produção deste sinal senoidal que será aplicado à carga.
É justamente neste princípio que se baseiam as fontes ressonantes: escoher a frequência de chaveamento de modo que sua frequência seja ressonante com a carga que ela alimente.
Na prática não usamos um interruptor para comutar este circuito mas sim um circuito de chaveamento e em sua função podemos ter diversas configuração tanto para a operação convencional como para a operação ressonante conforme descrito. Estas configurações possíveis são mostradas na figura 2.
Análise de Funcionamento:
Para entender melhor as vantagens da fonte ressonante, como ela pode reduzir as perdas de comutação será interessante analisarmos um circuito convencional do tipo fly-back e um circuito ressonante equivalente.
a) Circuito convencional
Na figura 3 (a) temos o circuito equivalente a um conversor fly-back onde se considera que o transformador tenha uma indutância de fuga desprezível de modo que ele possa ser considerado equivalente a um simples indutor. equivalente Lm o que torna o circuito equivalente ao mostrado na figura 3(b).
Quando a chave S é fechada uma corrente Io vai circular no circuito formado pelo indutor Lm e pelo diodo D além do capacitor e do circuito de carga. Quando S fecha o diodo é polarizado no sentido inverso pela tensão Es. Neste caso, a única corrente que circula Im através de Lm. A taxa de crescimento desta corrente até o máximo é determinada pela indutância de Lm.
Depois da corrente atingir seu valor máximo em Lm a chave S deve será aberta. Quando isso ocorre, o diodo D deixa de ser polarizado inversamente e a tensão gerada na contração do campo em Lm faz com que uma corrente Io circule no sentido inverso pelo diodo e pela carga. O capacitor C age neste momento como uma fonte de tensão.
A corrente Io cai então até a descarga completa de Co e o desaparecimento do campo em Lm. Depois disso a chave deve ser fechada novamente. Na figura 4 temos as formas de onda no circuito descrito.
b) Chave Ressonante
No conversor ressonante temos um circuito como o mostrado na figura 5(a). O circuito equivalente em que se consideram os elementos parasitas básicos é mostrado na figura 5(b).
A única diferença em relação ao circuito convencional é o acréscimo do indutor La e do capacitor Ca que devem ter valores muito menores do que o de Lm e de Co respectivamente.
Vamos assumir inicialmente que a chave S tenha sido fechada antes da corrente no indutor Lm ter caído a zero. Isso nos leva ao circuito equivalente inicial mostrado na figura 6(a). O crescimento da corrente em S será então determinado por La, que mesmo sendo pequeno é suficiente para limitar a corrente no circuito a valores seguros. Isso significa que as perdas no momento em que o circuito é ligado ficam reduzidas.
Com Co muito maior do que Ca, este capacitor atua como uma fonte de tensão (Vo) previnindo assim que a corrente de Ca circule e mantendo constante a variação de tensão em Lm. Ia vai ter seu calor aumentado até que se iguale a Im no momento em que Io for 0 e o diodo D desligar.
Com o diodo D desligado, passamos a ter o circuito equivalente conforme mostrado na figura 6(b). O circuito ressonante formado por Ca e Lm faz com que a corrente cresça senoidalmente até o valor de pico e então caia novamente a zero. A chave pode então ser aberta novamente com perdas muito pequenas.
Com a chave aberta, o circuito equivalente passa a ser o representado na figura 6(c). A ação resonante entre Ca e Lm fazem com que a energia seja transferida do capacitor para o indutor. Vc vai cair passando por zero ao mesmo tempo que Im alcança seu pico e então aumenta de valor mas com polaridade oposta até ultrapassar Vo. Neste ponto D volta a ser polarizado no sentido direto e passa a conduzir.
Quando D passa a conduzir, o circuito equivalente se torna o mostrado em 6(d). A tensão em Ca e torna ativa e pode circular uma corrente através de Co. Im cai então linearmente até que a chave seja fechada novamente e um novo ciclo tenha início.
Na figura 7 temos as formas de onda nos diversos elementos deste circuito.
Pela análise do funcionamento deste circuito podemos perceber que existe uma ação de limitação di/dt quando a chave é ligada e que o circuito ressonante formado por La, Lm e Ca garante que a corrente seja zero no momento do desligamento.
Projetando
Neste tipo de circuito o principal cuidado do projetista é escolher capacitores e indutores que formem um circuito ressonante na frequência de operação. Isso pode ser feito através de simuladores através de computadores.
No site da Philips podem ser obtidas mais informações e exemplo de cálculos podem ser encontrados no livro Power Semiconductor Applications da Philips Semiconductor, no qual nos baseamos para fazer este artigo.
O importante para o projetista é saber que as fontes ressonantes apresentam diversas vantagens que devem ser consideradas ao se fazer sua escolha como:
Reduzem RFI e EMI
Eliminam os efeitos de indutâncias e capacitâncias parasitas
Introduzem um bom grau de auto limitação em condições de falha.
Reduzem as perdas por comutação.
Consiste numa excelente solução para evitar problemas de sujeira na rede de energia.
Este último caso merece um detalhamento maior. Os circuitos convencionais usam um capacitor eletroítico de alto valor depois dos retificadores os quais serve como filtro para reduzir o ripple, conforme sabemos.
No entanto, este capacitor tem como efeito indesejável introduzir correntes harmônicas o que limita seu uso a fontes de não mais que uns 165 Watt (norma IEC 555-2 part 2).
Isso ocorre porque a corrente de pico da carga do capacitor pode atingir até 5 vezes a corrente média na carga.
Na figura 8 temos a representação da corrente no capacitor de filtro como função da tensão senoidal aplicada na fonte de alimentação.
Uma solução para se evitar este problema é com o uso de um Pré-Conversor chaveado a partir do qual, com o uso de um transformador permite obter qualquer tensão DC que se necessita. Usando um pre-conversor ressonante, como a corrente é senoidal, sob quaisquer condições, a produção de harmônicas é reduzida e os problemas das fontes convencionais não existe, além de se obter maior rendimento.
