Fontes de alimentação I

1-) Introdução

A quase totalidade dos circuitos eletrônicos requer correntes contínuas para a operação. Aparelhos que usam a rede elétrica precisam de um circuito para converter a tensão alternada para tensão ou tensões contínuas necessárias. Mesmo em aparelhos que usam pilhas ou baterias, pode haver necessidade  de conversão da tensão destas para níveis de operação dos circuitos.

Uma fonte ideal não deve apresentar perdas, a tensão fornecida deve ser contínua pura, sem ondulações e constante, independente da variação da carga. É evidente que isso não existe na prática, mas a evolução dos circuitos (de fontes ou quaisquer outros) ocorre sempre no sentido da aproximação com o ideal.

Nesta primeira página são dadas informações básicas. O propósito é começar a partir dos conceitos mais simples e chegar até aos arranjos mais utilizados nos tempos atuais

Observação: transformadores são componentes quase sempre presentes em fontes de alimentação.

Nesta página, podem ser representados por qualquer um dos dois símbolos indicados na Figura 1.1 ao lado. Analogamente, indutores podem ser representados por ambas as formas.

2-) Circuitos básicos de fontes

O processo fundamental da fonte é a retificação, isto é, a transformação da corrente alternada em contínua. Isto é feito normalmente por diodos, componentes que só permitem a passagem da corrente em uma direção.
Na Figura 2.1, o exemplo mais simples de fonte: o transformador reduz ou eleva a tensão da rede para o valor desejado e um único diodo só permite a passagem dos semiciclos positivos. Por isso, chamado retificador de meia-onda.

O resultado é uma corrente contínua pulsante, de valor de pico teoricamente igual ao valor de pico da tensão do secundário do transformador.

O circuito anterior é pouco eficiente e de elevada ondulação, pois a metade do ciclo não é aproveitada. Na Figura 2.2 um circuito de onda completa, que usa ambos os semiciclos.

O circuito da Figura 2.2 foi o pioneiro, dos tempos em que os diodos eram válvulas termiônicas, que ocupavam considerável espaço e representavam certo custo. É relativamente pouco usado nos dias atuais.

Na Figura 2.3, uma ponte de diodos faz o mesmo trabalho de retificação em onda completa sem necessidade de duplo secundário no transformador. A contrapartida é o uso de quatro diodos em vez de dois.

O secundário do transformador é duplo, com ligação em cascata, devendo cada lado ter a tensão desejada na saída da fonte.

A ondulação da corrente de saída é visivelmente menor que a do circuito de meia-onda.

3-) Filtros

Os retificadores do tópico anterior fornecem apenas correntes contínuas pulsantes, que são inadequadas para a maioria dos circuitos.
Uma corrente contínua pulsante pode ser considerada a soma de um componente CA e de um componente CC. Ver exemplo na Figura 3.1 à direita:

Uma corrente alternada quadrada (linha azul na parte superior) é somada a uma corrente contínua de valor V_m (linha verde no meio). O resultado é uma corrente contínua pulsante (linha vermelha na parte inferior) de valor médio V_m. O seja, o componente CC desloca para cima o componente CA no valor V_m.

Fica evidente, portanto, que uma fonte deve dispor de filtro para reduzir o valor do componente CA ao nível aceitável pelo circuito que ela alimenta.

O parâmetro para indicar a qualidade da corrente pulsante é chamado fator de ondulação e é dado por

r = V_ef / V_m #III.1#. Onde V_ef é o valor eficaz do componente CA e V_m, valor médio conforme já visto ("r" se deve à palavra inglesa equivalente "ripple").

É claro que o filtro deve reduzir r para o menor valor possível (nulo, no caso ideal).

Na Figura 3.2, um filtro simples e bastante usado: um capacitor é colocado na saída do retificador.

O componente CA após o retificador (meia-senóide de pico Vp) carrega o capacitor em parte do ciclo e ele se descarrega em outra parte, resultando componente CA de formato perto do triangular, conforme linha azul da Figura 3.3.

O fator de ondulação aproximado para o filtro capacitivo é dado por

1 / (2 Ö3 f R C) #III.2#. Onde f é a freqüência da entrada do retificador e R, a resistência da carga. Isso significa que a ondulação diminui com o aumento do valor do capacitor e aumenta com o aumento da corrente da carga (R menor).

E a tensão de saída V_m é dada de forma aproximada por

V_p - I / (2 f C) #III.3#. Onde I é a corrente na carga.

A Figura 3.4 mostra um filtro LC, isto é, um indutor seguido de um capacitor.

E a Figura 3.5 dá a comparação típica da variação da tensão de saída em função da carga para ambos os dois tipos de filtros.

Notar que, no filtro puramente capacitivo, a tensão decresce linearmente com a carga e, no LC, tende a uma estabilização teórica mas com um menor valor.

O arranjo dado na Figura 3.6 à esquerda é uma combinação dos tipos anteriores e bastante utilizado.

A ondulação é consideravelmente reduzida pela existência de dois capacitores e a característica de regulação de tensão em relação à corrente de carga é similar à do filtro puramente capacitivo.

4-) Fontes estabilizadas

Conforme tópico anterior, o filtro LC apresenta uma região de tensão constante, independente da corrente da carga. Mas isso ocorre apenas em teoria.
Se a tensão da rede variar, a saída da fonte também varia, qualquer seja o filtro usado. Transformadores, indutores e diodos polarizados diretamente não têm resistência elétrica nula e, portanto, a tensão da fonte sempre muda com a variação da corrente da carga.

Se o circuito alimentado exigir uma tensão razoavelmente constante, um simples filtro não poderá garantir isso.

Na Figura 4.1, uma das primeiras técnicas usadas para a estabilização da fonte.

Um componente ativo (transistor) é inserido em série com a carga. O diodo zener fornece uma tensão de referência constante dentro da faixa de variação prevista. Essa tensão (constante) e a de saída (supostamente variável) são aplicadas em um circuito controlador, que faz a comparação de ambas e polariza a base do transistor. Se, por exemplo, a corrente da carga aumenta, a tensão de saída tende a diminuir e o circuito de controle ajusta a polarização da base do transistor, fazendo-o conduzir mais e, portanto, restabelecendo o valor anterior.

O circuito de controle pode proporcionar outras funções, como o ajuste da tensão de saída e proteção contra sobrecargas ou curtos-circuitos.

Na Figura 4.2, exemplo de uma fonte estabilizada e regulável.

T1, D1, D2 e C1 formam o conjunto transformador, retificador de onda completa e filtro capacitivo.

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Q6 é o transistor de potência que controla a saída da fonte. A polarização da sua base é controlada por Q5, de baixa potência como os demais. Q3 e Q4 formam um amplificador diferencial que recebe tensão da saída e a de referência da série de zeners D3, D4 e D5. O coletor de Q3 atua na base de Q5, fazendo a estabilização da tensão de saída, que pode ser ajustada pelo potenciômetro R3. Q2 recebe a queda de tensão em R13 (resistor de baixo valor, em série com a carga) e, junto com Q1, faz uma espécie de limitação de corrente, que pode ser ajustada por R6.

5-) Características das fontes estabilizadas

As fontes que operam conforme item anterior são chamadas fontes lineares porque o transistor em série com a carga funciona como um regulador aproximadamente linear. Na realidade, ele se comporta com um resistor variável, cujo valor é automaticamente ajustado para compensar as variações da carga. Uma desvantagem deste tipo de construção é potência dissipada no transistor, equivalente ao produto da queda de tensão no mesmo pela corrente. Ou seja, a energia consumida é transformada em calor, reduzindo a eficiência energética.

Mas as fontes lineares também têm vantagens: são simples, o fator de ondulação (ripple) é baixo, a característica de regulação é boa, o tempo de resposta a variações da carga é pequeno, geram pouca interferência em outros circuitos. Entretanto, a baixa eficiência, o volume e peso de dissipadores e transformadores motivaram o desenvolvimento de outros tipos de fontes, objeto dos próximos tópicos.

6-) Fontes chaveadas

O desenvolvimento de fontes chaveadas teve início na década de 1960, para atender demanda de equipamentos militares mais compactos e eficientes. Hoje são usadas em televisores, computadores e em muitos outros aparelhos eletrônicos.

Ironia dos fatos. Pouco depois começar a escrever este item, o autor do site ouviu um estalo. Talvez a alta tensão do monitor. Mas parecia do computador que, por acaso, estava com o gabinete ainda aberto devido à troca de uma placa no dia anterior. Ao observar mais de perto, um outro estalo com uma fagulha saindo da fonte e o computador foi reiniciado. Fontes chaveadas comutam a tensão retificada diretamente da rede, um valor nada desprezível. Partículas de poeira, que se depositam no circuito ajudadas pela ventilação forçada e pela atração eletrostática, podem provocar isto. Mas o problema foi um pouco maior. Um dos dois discos rígidos que usava foi danificado de forma visível. O surto de tensão foi tanto que provocou uma trinca no invólucro de um CI da placa do dispositivo. Isso não invalida a evolução das coisas, mas ela tem seu preço. O fato dificilmente ocorreria em uma fonte linear tradicional. Se alguém fabricar uma desta para PC, certamente um trambolho externo, talvez o autor se interesse...

A tabela ao lado faz uma comparação de parâmetros médios para os dois tipos.
Notar a superioridade da linear na regulação e ripple e a superioridade da chaveada na eficiência e volume.
A seguir, definições de alguns parâmetros.

Regulação de linha: é a variação da tensão de saída devido a uma variação da tensão de entrada. Normalmente, é dada pela relação percentual entre variação da tensão de saída e a tensão nominal de saída, quando a tensão de entrada varia entre os valores mínimo e máximo.
Regulação de carga: é a relação percentual entre a variação da tensão de saída e a tensão nominal de saída, quando a corrente da saída varia de zero até o valor nominal.
Eficiência energética: relação percentual entre a potência de saída e a potência de entrada.
Resposta a transientes: o tempo necessário para a tensão de saída retornar à faixa de regulação após uma variação brusca de 50% na carga.
Tempo de sustentação: intervalo de tempo, após perda da tensão de entrada, em que a tensão e corrente da saída se mantêm dentro dos limites especificados. Notar que um valor adequado é importante em computadores, para mantê-los em operação até que sejam atendidos por uma fonte alternativa com bateria (no-break) em casos de interrupções da rede elétrica.

O princípio de operação de uma fonte chaveada é simples. Seja, conforme Figura 6.1 abaixo, uma fonte contínua de tensão Ve que alimenta uma carga comutada por uma chave S (a indicação de chave mecânica é apenas uma questão de simplicidade. Pode ser um elemento ativo como, por exemplo, um transistor que trabalha na saturação ou no corte).
Se, a cada intervalo de tempo T, a chave fica conectada por um tempo Tc, a tensão na carga Vc será pulsante conforme gráfico na figura.

E a tensão média na carga será dada por:

Vm = (Tc/T) Ve

Isto significa que é possível controlar a tensão média pela relação tempo ligado e tempo total do ciclo (Tc/T).

O método é chamado modulação por largura do pulso, mais conhecido por PWM, sigla da expressão em inglês (pulse width modulation).

O arranjo simples da figura pode ser (e é) usado em casos como resistências de aquecimento. Para circuitos eletrônicos, uma corrente pulsante é completamente inviável e há necessidade de algo mais elaborado, para suavizar e estabilizar a tensão.

Os tópicos seguintes exibem alguns arranjos comuns, genericamente denominados conversores, porque convertem um valor de tensão contínua em outro. Notar que, nestes, a chave S é substituída por um transistor cuja base é excitada por um bloco genérico PWM. Este bloco gera os pulsos que saturam ou cortam o transistor. Também deve permitir o ajuste da relação Tc/T para proporcionar a estabilização da tensão de saída através de algum sinal de controle. Tais funções são em geral executadas por um único circuito integrado, que deverá ser objeto de próximas atualizações desta página.

7-) Conversor buck ou step-down

O circuito da Figura 7.1 é dito step-down porque a tensão de saída só pode ser menor ou teoricamente igual à tensão de entrada.

A base do transistor Q é polarizada por um circuito PWM, de forma que ele só conduz nos intervalos de nível alto dos pulsos. No restante do ciclo, ele está em corte.
Iniciada a condução, a corrente Iq aumenta com o tempo, devido à presença do indutor.

Entrando o transistor em corte, uma tensão de polaridade oposta aparece no indutor, devido à força contra-eletromotriz. O fluxo da corrente passa agora pelo diodo e é decrescente, resultando em correntes e tensão na carga conforme gráfico da figura (obs: as rampas estão consideradas retas por simplicidade. Na realidade, são curvas devido às características do indutor).
A largura dos pulsos gerados pelo circuito PWM determina a tensão de saída.

8-) Conversor boost ou step-up

O circuito da Figura 8.1 faz o inverso do anterior. Tensão de saída é maior ou igual à tensão de entrada.

Na condução de Q, energia é armazenada no indutor e não há corrente da entrada para a carga (ela deve ser suprida pelo capacitor).

No corte de Q, ocorre processo similar ao do circuito anterior mas, desde que o indutor está em série com a fonte de tensão, uma soma de tensões é aplicada na carga.

9-) Inversor

O circuito da Figura 9.1 ao lado é uma modificação do anterior, isto é, transistor e indutor têm posições trocadas e a polaridade do diodo é invertida.

Nesta condição, a tensão de saída tem polaridade inversa da tensão de entrada, motivo do nome.

A tensão de saída pode ser maior, igual ou menor que a tensão de entrada, dependendo da relação entre o tempo de condução e período total, definida pelo circuito PWM modulante.

10) Considerações sobre os conversores anteriores

Os conversores dos três últimos tópicos são adequados para tensões baixas. Para fontes ligadas na rede elétrica, isto é, a entrada é 110 ou 220 volts retificados, é absolutamente necessária uma isolação elétrica entre a rede e a saída. Sem ela, os circuitos alimentados tornam-se inseguros e podem ficar mais vulneráveis a problemas na rede.

Pode-se então supor a existência de um transformador na entrada da rede para fazer a separação elétrica entre os circuitos. Entretanto, transformadores para a freqüência da rede (50 ou 60 Hz) são volumosos e pesados e o uso dos mesmos descaracteriza o objetivo de se construir fontes compactas e leves.

Para resolver a questão, fontes de computadores, monitores, televisores e outros usam conversores tipo fly-back. Nestes, o transistor de chaveamento opera com tensão retificada diretamente da rede e o transformador trabalha na freqüência de chaveamento, que é bastante superior à da rede (20 kHz ou mais). Para uma mesma potência, quanto maior a freqüência menores são o peso e o volume do transformador, sendo este o principal motivo das reduzidas dimensões das fontes chaveadas em comparação com as lineares.

11) Conversor fly-back

A Figura 11.1 dá o arranjo básico de um conversor fly-back comum.
A corrente da rede é retificada diretamente e passa por um filtro para prevenir retorno de freqüências indesejadas, oriundas do chaveamento.

Notar que a operação é fundamentalmente a mesma do conversor boost, com um transformador no lugar do indutor. Assim, a tensão de saída pode ser qualquer, dependendo apenas da relação de espiras entre primário e secundário. E pode também ter mais de um secundário para fornecer diferentes tensões, como ocorre em muitos casos práticos.

Há uma realimentação da tensão de saída para que o controlador PWM possa ajustar a largura dos pulsos para diferentes solicitações da carga. Para completa separação elétrica entre o chaveamento de potência e a saída, esse retorno é aplicado através de um dispositivo isolador. Acopladores óticos são bastante usados para a função.

12) Controlador PWM

A fonte da Figura 12.1 é um exemplo retirado do datasheet do fabricante do controlador PWM UC3842, um tipo bastante usado em fontes chaveadas.

O transformador tem um secundário auxiliar, cuja tensão é retificada para alimentação do CI.
Conforme fabricante, a freqüência aproximada de operação é dada por:
f = 1,8 / (Rt Ct). Onde Rt é o resistor entre os pinos 4/8 e Ct, o capacitor entre pino 4 e massa (10K e 4,7 nF no circuito). Calculando para esses valores, o resultado é cerca de 38 kHz.
Um MOSFET é usado como elemento de chaveamento, por se mostrar mais adequado para a aplicação.

O pino 3 é um limitador de corrente, que recebe sinal de um resistor de baixo valor na linha do chaveamento.
Notar que não há retorno da tensão de saída para o controle da modulação dos pulsos. Isto é feito de forma indireta pela tensão do secundário auxiliar aplicada, através dos componentes, nos pinos 1 e 2. Assim, a regulação é dependente do acoplamento indutivo entre os enrolamentos do transformador e, certamente, não é das melhores. O ideal seria um retorno com isolação elétrica conforme item anterior.