FONTES CHAVEADAS

Dirceu Mateus da SilvaFagner Luiz dos Anjos Santos

Gustavo José Rodrigues Iracema Faculdade Cidade de Patos de Minas

Patos de Minas - MGe-mail: dirceumateus88@hotmail.com

fagner_minas@hotmail.comgustavaum.cs@gmail.com

Resumo - Este documento foi desenvolvido com o intuito de mostrar aos leitores que o desenvolvimento da Eletrônica tanto contribuiu quanto exigiu para que as fontes lineares sofressem modificações de forma a melhorar seu consumo, rendimento, custo, dentre outras parametrizações. Hoje, em todo equipamento eletrônico, uma fonte é facilmente encontrada e tal observação induz ao fato que esta é uma peça de crucial importância para vários equipamentos, tais como computadores, ao qual é um item cotidiano. Inicialmente como uma fonte linear, esta foi aperfeiçoada com o desenvolvimento dos componentes eletrônicos e se transformando, atualmente, na fonte chaveada, a qual possui menor tamanho e custo, porém um maior rendimento e eficiência. Neste contexto, será feita uma apresentação de alguns tipos de fontes e seus estágios.

Palavras-Chave – Chaveadas, Circuitos Eletrônicos Desenvolvimento, Eletrônica, Eficiência, Lineares.

SWITCHED-MODE POWER SUPPLY (SMPS)

Abstract – This document was developed in order to show readers that the development of Electronics has contributed so much as required for the linear regulated power supplies suffer modifications in order to improve their consumption, yield, cost, as well as other parameterizations. Today, in every electronic equipment a power supply is easily found and this observation leads to the fact that this is a piece of crucial importance for various equipments, such as computers, which is an everyday item. Initially as a linear regulated power supply, this has been improved with the development of electronic components and currently transforming in switched-mode power supplies, which has smaller size and cost, but higher yield and efficiency. In this context, a presentation of some types of power supplies and their stages will be taken.

Keywords - Development, Efficiency, Electronics, Electronic Circuits, Linear Regulated, Switched-mode.

I. APRESENTAÇÃO

Apesar de ficar evidente, desde o desenvolvimento do transistor bipolar em 1948, que esse dispositivo poderia funcionar como um interruptor, os primeiros transistores foram empregados basicamente como amplificadores de baixa potência ou, em eletrônica digital, como interruptores de baixa potência. O mesmo laboratório que desenvolveu otransistor bipolar – o Bell Laboratories nos EUA – apresentou em 1956 um novo transistor com quatro camadas semicondutoras a que chamou de PNPN Triggering Transistor. O invento foi licenciado à empresa General Electric,. que lançou-o comercialmente em 1958 com o nome Thyristor. Considera-se que o lançamento comercial do Thyristor, ou tiristor, marca o nascimento de uma nova ciência, chamada Eletrônica de Potência.Todos os circuitos eletrônicos requerem uma fonte de tensão contínua, com determinado grau de estabilização.É claro que, nos equipamentos de pequeno porte, tal alimentação pode ser obtida através de pilhas ou baterias, mas no caso mais geral, utiliza-se a energia disponível na rede elétrica local, através de um conversor. Num primeiro momento isso foi obtido através de conversores rotativos, como é o caso do sistema Ward-Leonard, constituído de uma máquina alimentada por corrente alternada na qual se obtinha uma saída em corrente contínua. Porém no caso mais geral utiliza-se um conversor estático (isso é, não rotativo) denominado Fonte de Alimentação.As fontes de alimentação modernas podem ser classificadas em dois grandes grupos: com Regulação Linear ou com Regulação por Chaveamento. Desse modo, o que denomina simplesmente de Fonte Chaveada é, na verdade, um Conversor Estático de Corrente Alternada em Corrente Continua com Regulação por Chaveamento.Nesse artigo, serão apresentadas, de forma simplificada, somente alguns exemplos das diversas fontes chaveadas e conversores existentes atualmente.

II. INTRODUÇÃO

Dos diversos tipos de fontes existentes, a figura 1 a seguir representa as partes fundamentais/estrutura de um circuito chaveado:

As características das fontes chaveadas são bastante diversificadas, citaremos a seguir algumas dessas características:

Alto rendimento; Densidade de potência elevada (menor

peso/volume); Grande capacidade de regulação; Possibilidade de operar com fator de potência

unitário; Menos robusta e resposta transitória lenta; Ondulação na tensão de saída; Interferência radioelétrica e eletromagnética; Maior número de componentes; Componentes mais sofisticados.

Será explicado mais adiante alguns tipos de fontes chaveadas que compõem hoje uma grande parte do mercado eletrônico, tais como:

Fonte chaveada do tipo Flyback e Buck-Boost; Fonte chaveada do tipo Forward; Conversor do tipo Push-pull.

III. FONTE CHAVEADA DO TIPO FLYBACK

1) Flyback do tipo Buck-Boost:

Figura 1.2 - Desenho Esquemático Tipo Buck-Boost

Vamos prosseguir agora às Etapas de Funcionamento deste tipo de fonte chaveada:

Figura 1.3 - Primeira Etapa Buck-Boost

Em sua primeira etapa, como mostrado na Figura 1.3, a chave está fechada. A energia proveniente de Vin é acumulada no indutor L. O diodo D1 encontra-se polarizado reversamente. A carga RL é alimentada pelo capacitor C previamente carregado.

Figura 1.4 - Segunda Etapa Buck-Boost

Em sua segunda etapa, como mostrado na Figura 1.4, a chave é mantida aberta. A energia acumulada no indutor L na etapa anterior é transferida ao capacitor de saída C, em paralelo com a carga RL. O diodo D1 encontra-se em condução. 2) Flyback isolado:

Figura 1.5 - Primeira Etapa Flyback Isolado

Em sua primeira etapa, como mostrado na Figura 1.5, durante o intervalo em que a chave se mantém fechada, o diodo D1 se mantém bloqueado e sua corrente é nula.

Figura 1.6 - Segunda Etapa Flyback Isolado

Em sua segunda etapa, como mostrado na Figura 1.6, durante o intervalo em que se a chave se mantém aberta, a polaridade do transformador se inverte, o diodo entra em condução e a energia previamente acumulada no campo magnético é transferida ao capacitor de filtragem C e à carga RL.

NOMENCLATURAUTILIZADA

LP Indutância magnetizante medida no primário do transformador.

LS Indutância magnetizante referida ao secundário do transformador.

Não podemos deixar de esquecer que também temos modelos de fonte chaveada do tipo Flyback com múltiplas saídas, como mostra a figura 1.7 a seguir:

Figura 1.7 - Fonte Chaveada Flyback com Múltiplas Saídas

Com isso, podemos mencionar algumas características importantes de uma fonte chaveada do tipo Flyback:

Baixo custo; Saídas múltiplas; Aceita grande variação da resistência de carga; Proporciona isolamento entre a entrada e a saída; Boa regulação cruzada; Dispensa indutor de filtragem; No modo de condução descontínua, permite o

emprego de diodos lentos no estágio retificador; Resposta transitória rápida; Fácil de ser estabilizada;

Em condução descontínua, é largamente usada para baixas potências (<100w).

Cálculo de Ganho Estático de Tensão:

O conversor Flyback possui o mesmo princípio de funcionamento de um conversor Boost, Buck e Buck-Boost, onde altera-se a tensão de saída na carga pela diferença de tempo de Ton e Toff, onde a chave permanece ligada, fazendo-se a análise da média da energia que passa no indutor durante um certo período. Esta energia é nula e será demonstrada nas equações abaixo:

Análise de Tensão nos Componentes:

Com diodo conduzindo:

[Vd=0]

Substituindo V0 analisado anteriormente:

Substituindo V0:

IV. FONTE CHAVEADA DO TIPO FORWARD

Mantendo o princípio de isolamento galvânico com um transformador, este modelo de conversor possui um terceiro enrolamento de transformador disponível.

A inclusão do terceiro enrolamento é necessária para garantir a desmagnetização do transformador (2ª etapa), caso contrário, ele saturará e provocará um mau funcionamento do conversor.

Quanto ao modelo de transformador possuir uma energia de magnetização, é necessário que esta seja absorvida pelo

sistema, ou seja, quando se abre a chave, a energia acumulada no transformador relativa à indutância de magnetização circula por D2, ocorrendo um retorno de energia para a fonte.

As Figuras 1.8, 1.9, 2 e 2.1, respectivamente, listadas abaixo são desenhos esquemáticos de uma fonte chaveada do tipo Forward.

Figura 1.8 - Desenho Esquemático 1 Tipo Forward

Figura 1.9 - Desenho Esquemático 2 Tipo Forward

Figura 2 - Desenho Esquemático 3 Tipo Forward

Figura 2.1 - Desenho Esquemático 4

V. CONVERSOR DO TIPO PUSH-PULL

O conversor Push-Pull é, na verdade, um arranjo de 2 conversores Forward trabalhando em contra-fase.Semelhante ao conversor flyback e, em especial, ao conversor forward, os conversores push-pull utilizam-se do acoplamento magnético para obter na saída tensões menores ou maiores.Observe as figuras a seguir que exibe o comportamento de seus componentes:

Figura 2.2 - Desenho Esquemático 1 Tipo Push-Pull

Figura 2.3 Desenho Esquemático 2 Tipo Push-Pull

Figura 2.4 Desenho Esquemático 3 Tipo Push-Pull

Desvantagens:

No controle por "modo de tensão", o transformador pode se saturar, ocorrendo assimetrias na duração dos tempos na condição por transistores.

Solução para a saturação:

Em conversores push-pull em ponte, o controle de corrente elimina o problema de desequilíbrio de fluxo, dado que se monitora os picos de corrente.Caso o circuito tenda a se saturar, ocorrerá um aumento no valor instantâneo da corrente, levando a uma redução da largura de pulso, e assim, da tensão aplicada, saindo-se da saturação.

Vantagens:

As principais vantagens dos conversores push-pull são:

capacidade de trabalhar com potências de trabalho maiores em corrente contínua (devido ao uso dos dois chaveadores), sendo utilizados em aplicações de fontes CC industriais;

Maior rendimento no transformador, devido à forma de construção;

Robustez e simplicidade de construção; O negativo da fonte é um terminal comum a ambos

os chaveamentos.

VI. CONCLUSÕES

As fontes chaveadas são atualmente muito empregadas nos mais variados sistemas eletrônicos, principalmente devido às suas características de baixo volume e peso em comparação com as fontes com regulação linear. No entanto, são circuitos complexos que demandam um maior cuidado para o projeto e implementação prática.A evolução das fontes chaveadas dá-se tanto sob o aspecto do oferecimento de componentes com melhores características como pelo desenvolvimento da técnica de projeto e construção. Comparativamente às outras áreas da

Eletrônica, muito há a ser feito, principalmente nos aspectos de integração de componentes e de melhoria da confiabilidade. Apesar desses desafios, as fontes chaveadaspermanecem como uma alternativa extremamente interessante para todos os sistemas eletrônicos.

AGRADECIMENTOS

Os autores deste artigo agradecem profundamente ao Professor Leandro Vilefort pela grande colaboração dada para que este artigo fosse concretizado e também agradecemos aos nossos colegas do 6º período de Engenharia Elétrica da Faculdade Patos de Minas, e claro, à própria instituição pela oportunidade dada a criação deste material.

Este projeto não foi financiado por nenhum dos autores e estará disponível para consulta gratuitamente, sem fins lucrativos.

REFERÊNCIAS

[1] BARBI, Ivo. “Eletrônica de Potência: Projetos de Fontes Chaveadas”, Florianópolis, Edição do Autor, 2001.

[2] VILEFORT, Leandro. "Eletrônica de Potência: Fontes Chaveadas", Uberlândia, Material Didático, 2013.

[3] BARBOSA, Prof. Dr. Lúcio dos Reis. "Fontes Chaveadas", Londrina. Material Didático, 2007.