Fontes chaveadas

FONTES CHAVEADAS Componente Curricular:

Eletrônica Industrial

Habilitação Profissional Técnica de Nível Médio de Técnico em Eletrônica

FONTES CHAVEADAS

FONTE CHAVEADA SMPS I. INTRODUÇÃO

Fonte chaveada é um circuito eletrônico para regular a tensão de saída ou ainda transformar tensão contínua em alternada.

A fonte chaveada SMPS (Switched Mode Power Supply) é constituída de transistores e diodos (que são os interruptores), indutores e capacitores.

Para melhor compreensão do assunto, é importante saber o que é um circuito conversor CC-CC com uma entrada de tensão não regulada e uma saída de tensão regulada.

Quanto ao funcionamento, os transistores de potência são utilizados como dispositivos de chaveamento e funcionam na faixa de 10kHz a 40kHz, mas essa frequência pode chegar até 200kHz se usarmos o transistor Mosfet.

Assim, conforme exemplifica a figura abaixo, a regulação da tensão de saída é feita por controle de intervalo de tempo em que o transistor está no estado ligado.

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II. ANÁLISE DO FUNCIONAMENTO

Existem várias arquiteturas de circuito para as fontes SMPS e há técnicas que podem ser aplicadas genericamente para que haja um funcionamento adequado.

Estudam-se os circuitos considerando que os interruptores comutam a uma dada frequência (Período T), com um tempo de condução do transistor igual a t. A relação t/T é denominada de largura de pulso.

Uma vez considerado que os parâmetros do circuito são obtidos a partir da imposição de regime permanente, pode-se destacar que a análise é feita em cada período de comutação, sendo que a tensão média no indutor é nula e sua corrente é praticamente constante e a corrente média no capacitor é nula.

Tendo como referência a figura abaixo, considere a corrente i circulando pelo indutor L. Se Vc é constante ou tem uma pequena variação no intervalo de tempo considerado, temos: vc(t) = Vc vl(t) = VB – Vc, e i(t) = vl/L é a tensão no indutor Obs.: Os valores em letras minúsculas são instantâneos e os em letras maiúsculas são valores médios.

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III. TÉCNICAS DE MODULAÇÃO EM FONTES CHAVEADAS

a) Vantagens, limitações e os principais métodos de comando dos conversores CC-CC.

Em geral, as fontes chaveadas trabalham com uma fonte de tensão CC de valor fixo, ao mesmo tempo em que na saída tem-se também uma tensão CC, mas com valor distinto. É importante compreender que ou as chaves semicondutoras estão em operação ou no estado bloqueado e que a tensão média de saída depende da relação entre o intervalo em que a chave permanece fechada e o período de chaveamento.

Abaixo, a figura mostra o circuito abaixador de tensão conhecido como conversor Buck.

A tensão v2 na saída é menor que a tensão da fonte V1.

O ciclo de trabalho é definido pelo quociente entre o tempo que o transistor Q fica ligado e o período de chaveamento T = 1/f (frequência de chaveamento), portanto VD = V1.

Quando o transistor está bloqueado, o Diodo conduz, (VD = 0). Assim VD é um pulso retangular de duração DT e período T. Para este circuito, a função do capacitor e do indutor é extrair a tensão média do diodo VD e disponibilizar esta tensão com baixo ripple (ondulação) em v2.

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b) Formas de onda de saída do conversor Buck

Um outro tipo de circuito utilizado, conhecido como conversor Boost, produz uma tensão de saída v2 maior que V1. Podemos visualizar duas circunstâncias em que essa situação ocorre: 1. Quando o transistor está ligado, o diodo está cortado (VD = 0).

2. Quando o transistor corta, para que haja corrente no indutor, o diodo conduz e VQ = v2.

O pulso de saída é retangular, com tempo de retardo DT e com duração (1 – D)T.

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c) Formas de ondas de saĂ­da do conversor Boost

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d) Aplicação das fontes chaveadas

Os circuitos eletrônicos necessitam de tensões estáveis para o seu funcionamento e estas são fornecidas pelas fontes de alimentação.

Os computadores, televisores, aparelhos automotivos, monitores de vídeo, entre outros, utilizam fontes chaveadas. Elas têm um rendimento maior que as fontes lineares, além de outras vantagens.

IV. FONTE DE ALIMENTAÇÃO LINEAR X FONTE CHAVEADA

Nas fontes chaveadas, uma redução de tamanho, peso e, consequentemente, uma redução no custo. Dessa forma, foi possível o aumento do rendimento em relação às fontes lineares e uma sensível diminuição de manutenções nas fontes dos equipamentos eletrônicos.

a) Fonte linear Opera na frequência da rede elétrica, 60Hz ou 50Hz. Nesse tipo de fonte temos basicamente quatro blocos: transformador, etapa retificadora, filtragem e circuito de controle.

b) Fonte chaveada Essas fontes utilizam um transformador de alta frequência que permite reduzir o tamanho e o peso das mesmas e são constituídas de transistores

especiais

(FETs),

como

interruptores eletrônicos de alta comutação, que diminuem as perdas e aumentam o rendimento total para que, assim, a potência controlada pela fonte fique maior.

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Além disso, elas utilizam componentes de dimensões menores em relação à fonte linear, trabalham com modulação de pulso, alterando a frequência da rede para uma banda entre 20 e 60 kHz. Assim, o transformador e o capacitor de filtro podem ter o seu tamanho bem reduzido, pois em alta frequência, o fenômeno de indução eletromagnética ocorre com maior facilidade permitindo a troca do núcleo do transformador de aço-silício para ferrite que é bem mais leve. Isso faz com que o ripple diminua e, em consequência, pode-se utilizar capacitores de filtro menores.

Ainda, vale ressaltar que as fontes chaveadas exigem maiores cuidados na prevenção de interferência eletromagnética (EMI) e que para um nível cada vez menor de potência, as vantagens dessas fontes ultrapassam as desvantagens.

Para aprofundar mais o assunto, é importante observar que em aplicações com fontes chaveadas podem ocorrer efeitos transitórios como, por exemplo, na partida de motores, quando a corrente atinge de 4 a 10 vezes o seu valor nominal. Nesses casos, a solução é utilizar conversores eletrônicos que permitem controlar a partida do motor de indução suavemente até a velocidade nominal. Esse acionamento controlado elimina os transitórios de partida, mas podem gerar harmônicas que podem causar outros distúrbios na rede, devido a ressonâncias. Com referência ao conversor, ele pode ser ajustado de maneira que o valor eficaz da corrente se mantenha em um valor adequado, garantindo o torque de partida. Por conta disso, tem-se uma redução da tensão eficaz no motor, o que limita o máximo torque de partida.

Por fim, a tecnologia empregada na fonte chaveada também é utilizada para transformar sinal contínuo em alternado, como encontrado em vários inversores de energia de automóveis, que utilizam equipamentos AC. Essa tecnologia transforma a tensão contínua da bateria do carro em tensão alternada.

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Bibliografia Schaum’s Outlinenof Theory and Problems of Eletronic Devices and Circuits, Jimmie J. Catthey 2002, The MCGraw-Hill Companies, Inc. Eletrônica Industrial: teoria e aplicações – 2ª Ed/ Cyril W. Lander; Tradução Maurício Eduardo Bernardino Ribeiro Makron Books, 1996 - Título original: Power eletronics. http://informatica.hsw.uol.com.br/fonte-computador1.htm.

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