Fontes lineares e chaveadas

Prévia do material em texto

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E 
TECNOLOGIA DO CEARÁ CAMPUS FORTALEZA 
DEPARTAMENTO DE INDÚSTRIA 
TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL 
 
 
 
 
 
Trabalho para a obtenção de nota parcial para a disciplina de eletrônica analógica 
 
Título: Conceitos Básicos Sobre Fontes De Tensão 
Com Regulação Linear E Chaveada 
 
Discente: Antonio Ederson Pereira Queiroz 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fortaleza, setembro de 2020 
Objetivos de estudo 
 
Promover o desenvolvimento de conceitos básicos e avançados em eletrônica, 
visando dar apoio a temas de pesquisa e suporte teórico para o 
desenvolvimento de projetos práticos. 
Constituem-se em objetivos específicos: 
Formalizar os conceitos básicos para o desenvolvimento de aplicações em 
eletrônica; 
Levantar o estado da arte de eletrônica a partir de bases científicas; 
Desenvolver fontes lineares e chaveadas; 
Discutir e comparar modelos, técnicas e soluções para problemas em 
eletrônica. 
 
Resumo 
 
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 Contínua com Regulação por Chaveamento. 
Nesse trabalho são apresentadas, de forma resumida, as Fontes Lineares e 
Chaveadas, mostrando suas vantagens e desvantagens. Demonstra-se o projeto simplificado 
dessas fontes de baixa potência. Mostra-se também as perspectivas de evolução das fontes 
, que devem ser observadas nos próximos anos. 
As fontes de alimentação CC são aplicadas de diversas maneiras, estando elas 
presentes em todo circuito eletrônico, eletrodomésticos, eletroportáteis, sistemas de controle 
em industriais, sistemas de telecomunicações, sistemas de som, rádio frequência, entre 
outros, daí verifica-se a grande importância do estudo desses dispositivos. 
 
Introdução 
 
Para um bom entendimento sobre fontes chaveadas é fundamental resgatar a 
evolução da tecnologia, e saber sobre aquelas que as antecederam: as fontes lineares. 
Comparar as duas tecnologias é importante para que se compreenda onde chegamos e quais 
características e performance se pode exigir de uma fonte chaveada. 
 Uma fonte linear é alimentada pela tensão da rede elétrica, em 110Vca ou 220Vca, 
diretamente no primário de um transformador. Neste transformador é necessário que exista 
um enrolamento para a entrada em 110Vca, outro enrolamento para a entrada 220Vca. A 
escolha será feita por uma chave seletora. Este transformador é específico para receber a 
tensão alternada em 60Hz. Por este motivo é grande e pesado. Neste transformador a tensão 
é reduzida, no secundário, para uma tensão próxima a tensão em corrente contínua, que se 
deseja para a saída. A tensão do secundário é então retificada e filtrada. A tensão de saída 
é obtida após a filtragem e será tanto mais contínua quanto maior for o capacitor da filtragem. 
Para obter-se uma tensão mais “limpa”, normalmente utiliza-se um regulador linear 
logo após a retificação. Pode-se constatar que a fonte linear é muito simples de se projetar e 
fabricar. A maior preocupação é definir corretamente a relação de transformação entre o 
primário e o secundário, prevendo-se que na menor tensão de entrada, em 110Vca ou 
220Vca, a tensão do secundário seja suficiente para que o regulador linear tenha margem 
para que consiga controlar a tensão para o valor desejado. Confira como funciona, a seguir, 
um projeto básico de fonte linear. No entanto, a facilidade de projeto e a robustez da fonte 
linear não compensam a grande dimensão e peso, como também o seu baixo rendimento, 
pois são características já não mais aceitáveis nos equipamentos atuais. 
 A fonte chaveada substituiu a fonte linear trazendo vantagens como o baixo volume e 
peso, além do rendimento bem maior que chega a 89%, enquanto a fonte linear não passa 
de 50%. 
 Por outro lado, as vantagens da fonte chaveada são ofuscadas pela complexidade de 
se projetá-la. Enquanto o projeto e a fabricação de uma fonte linear podem ser feitos por 
pessoas com conhecimento básico de eletrônica, uma fonte chaveada requer alta 
especialização. 
 Na fonte chaveada o processamento da tensão da rede para obtenção da tensão em 
corrente contínua da saída é todo feito em alta frequência. Desta tecnologia resulta a 
denominação chaveada: a transformação é feita através de um chaveamento em alta 
frequência onde a regulação da tensão de saída é obtida variando-se a largura dos pulsos de 
condução da chave (PWM) ou, em alguns casos, variando-se a frequência do chaveamento 
(modulação por frequência). Com a utilização de chaveamento em alta frequência obtém-se 
uma grande compactação, com baixo volume e peso: o transformador de uma fonte chaveada 
chega a ser 50 vezes menor que o transformador de uma fonte linear de mesma potência. 
 Em função das vantagens apresentadas pelas fontes chaveadas, as fontes lineares 
passaram a ser pouco utilizadas, restritas a aplicações específicas. 
Fontes de Tensão com Regulação Linear 
Para melhor entender um fonte linear, acompanhe na figura abaixo um diagrama de 
blocos de uma fonte desse tipo e mais adiante as explicações de cada uma dessas etapas. 
 
 
 
 
 
Etapas e Componentes Básicos de uma Fonte Linear 
 
Fusível de Proteção 
 
O ideal é iniciar o projeto de uma fonte de alimentação, seja ela linear ou chaveada, 
pelos componentes de proteção. O componente de proteção mais simples e mais utilizado 
contra sobrecorrente e curto-circuito são os fusíveis. Que nada mais é do que um filamento 
condutor fino, geralmente em um invólucro de vidro ou outro material, sendo esse filamento 
capaz de se romper quando submetido a um determinado valor de corrente elétrica elevado. 
Quando isso acontece, o fusível se rompe, abrindo o circuito da fonte, protegendo os demais 
componentes. 
 
Simbologia do fusível: Fusível real: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transformador: 
 
 O transformador abaixa a tensão da linha para um nível seguro, mais adequado para 
o uso com diodos, transistores e outros dispositivos a semicondutores. O transformador 
possui dois enrolamentos, um primário que recebe a maior tensão e um secundário que 
através da indução eletromagnética fornece a tensão mais baixa na saída. Sendo N1 e N2 a 
relação entre as espiras dos enrolamentos primário e secundário, a tensão na saida é dada 
por: 
 
 
A figura a seguir representa o esquemático dos enrolamentos do transformador e um 
transformador real empregado em fontes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Após a transformação de uma tensão elevada da rede em um valor de tensão mais 
baixo e adequado para a aplicação, capaz de ser utilizado pelos componentes eletrônicos, 
esse alor de tensão que sai do transformador pode ser aplicado na entrada do circuito de 
retificação. 
 
Retificação 
 
A retificação, que é a conversão da tensão CA em CC é feita por dispositivos 
semicondutores chamados de diodos. Que pelas características do seu processo de 
construção, quando polarizados diretamente são capazes de restringir a passagem de 
corrente em um sentido. A associação correta desses diodos nos permite criar os circuitosretificadores. Os retificadores utilizados são os de onda completa, pois apresentam maior 
eficiência quanto ao aproveitamento do sinal de tensão. Abaixo segue a representação de 
um diodo e um diodo real, além dos circuitos para os retificadores de onda completa com tap 
central e em ponte, respectivamente. 
 
Diodo e seu símbolo esquemático: 
 
 
 
 
 
 
Ponte de diodos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Retificador de onda completa com tomada (tap) central: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Retificador de onda completa em ponte: 
Com a retificação, a corrente circula em um único sentido no resistor de carga, 
caracterizando-se então como um sinal CC. Porém, para estabilizar esse valor de tensão, 
que até então trata-se de um semiciclo senoidal pulsante no quadrante positivo, há a 
necessidade da utilização de filtros. 
 
Filtro Capacitivo 
 
Na etapa de filtragem, em geral, são utilizados capacitores em paralelo com a carga. 
Os capacitores são dispositivos capazes de armazenar carga em um campo elétrico e 
descarregar dentro de um intervalo de tempo regido pela sua constante RC. Capacitores são 
elementos reativos que reagem à passagem de corrente através do acúmulo de cargas 
elétricas, ou seja, o capacitor é capaz de armazenar energia eletroestática. Os capacitores 
mais comuns são construídos por duas placas condutoras (metálicas), separadas por um 
material dielétrico (material isolante). O filtro de entrada com capacitor produz uma tensão 
CC de saída igual ao valor de pico da tensão retificada. Este tipo de filtro é muito mais usado 
nas fontes de alimentação. 
 
Símbolos do capacitor e capacitor real: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A seguir, uma figura esquemática de como fica um circuito simples de fonte CC linear com 
retificação em ponte e filtragem por capacitor. 
 
 
 
 
Retificador de onda completa em ponte com filtro capacitivo. 
 
 
Regulação de Tensão 
 
O circuito regulador pode aproveitar a entrada contínua advinda do filtro para produzir 
uma tensão que não só possua menor ripple mas que ainda mantenha constante seu nível 
de saída, mesmo para variações na entrada ou na carga conectada. Em aplicações onde se 
necessita valores reduzidos de corrente, essa regulação é, via de regra, obtida, utilizando-se 
reguladores a base de circuitos integrados, como mostrado por MALVINO (1987). Já em 
aplicações que necessitam maiores valores de corrente, os circuitos reguladores são 
constituídos de elementos discretos baseados em transistores e diodo zener. Um CI regulador 
bastante comum são os da linha 78XX, possuindo regulações para 5V, 9V, 12V entre outros. 
Os CI reguladores são em geral utilizados com capacitores e até indutores conectados aos 
seus pinos para melhorar ainda mais a regulação. 
 
Imagem do circuito de regulação de tensão com CI 78XX: 
 
 
 
 
 
 
 
 
CI regulador encapsulado: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Circuito simplificado completo de fontes lineares com regulação de tensão: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fontes Chaveadas 
 
As fontes chaveadas, também conhecidas como Fonte de Alimentação Chaveada ou 
Switching Mode Power Supply (SMPS), possuem como principal finalidade o fornecimento de 
energia, veja suas aplicações: Equipamentos Eletrônicos de Informática, como notebook, 
netbook, computadores all-in-one etc; Automação Comercial, em impressora fiscal, PDV etc; 
Automação Bancária, em ATM’s, impressora térmica, leitor de CMC7, leitor de códigos de 
barras, entre outros; Automação Industrial, em painéis e máquinas; Telecomunicações em 
central telefônica, interfone, telefone sem fio, celulares, e outros; Segurança em DVRs, 
câmeras e domes, alarmes, etc. e outras aplicações. As fontes também podem funcionar 
como carregadores de baterias nos equipamentos portáteis como notebooks, netbooks e 
telefones sem fio e smartphones. 
Uma fonte chaveada é basicamente um conversor no qual tanto a tensão de entrada 
como de saída são contínuas (conversor CC-CC). Conforme o tipo de conversor empregado, 
o valor da tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada, apesar que em 
sua maioria, normalmente a tensão de saída é menor que a de entrada. O interruptor 
eletrônico opera somente nos estados de saturação (ligado) e corte (desligado), com 
freqüência de operação muito maior que a freqüência da rede elétrica. O resultado é, então, 
uma tensão alternada não-senoidal que é retificada novamente e entregue à carga. De modo 
esquemático tem-se os seguintes elementos, conforme a figura: 
Filtro de Linha 
 
É constituído por indutor e capacitores e tem como função principal a filtragem de 
harmônicos (ruídos) de alta freqüência provenientes do chaveamento da própria fonte ou que 
entram pela rede (110V ou 220V), provenientes de outros equipamentos. Neste bloco 
costuma-se colocar os varistores, opcionalmente utilizados para a absorção de sobretensões 
da rede, além de termistor NTC para a limitação do “inrush” de corrente que ocorre quando a 
fonte é ligada. Há também a inclusão do fusível de proteção da própria fonte. Veja o exemplo 
abaixo com partes de um ‘diagrama esquemático’: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Retificação e Filtro de Entrada 
 
Constituído de diodos, normalmente em ponte, é responsável pela retificação da 
tensão alternada da rede (110V ou 220V) transformando-a em tensão contínua. O capacitor 
(ou banco de capacitores) é utilizado para filtrar a ondulação resultante da retificação, 
deixando a tensão tanto mais contínua quanto maior a capacitância total. Neste bloco pode 
estar inserida uma chave para a seleção da tensão de entrada (110V ou 220V). O uso de 
diodos ligados direto na tensão da rede elimina a necessidade de um transformador no 
circuito de entrada, que é volumoso e pesado. 
 
Esquemático de retificador e filtro de entrada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Circuito de Chaveamento 
 
É constituído de transistor, bipolar ou mosfet, e o circuito integrado com controle por 
modulação da largura de pulso (PWM). Em muitas fontes já é utilizado um circuito integrado 
que possui o transistor e o PWM em um único encapsulamento. Neste bloco é feito o 
chaveamento, em alta freqüência, da tensão contínua fornecida pelo retificador. 
Os transistores operam em condição de corte e saturação. Apesar das primeiras 
fontes chaveadas usarem transistores bipolares, esses foram logo abandonados em favor 
dos MOSFETs, que operam em freqüência mais elevada com baixas perdas e permitem 
simplificar o circuito de chaveamento. Para evitar a produção de ruído audível, é necessário 
que a freqüência de chaveamento do interruptor eletrônico seja maior que 20 kHz. 
 
Circuito de controle do chaveamento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transformador 
 
Constituído por um núcleo de ferrite e enrolamentos com fios de cobre ou com as 
trilhas de uma placa de circuito impresso multilayer. Este bloco é responsável pela adaptação 
da tensão e também pelo isolamento entre a alta tensão da rede e a tensão de saída em 
tensão contínua. No primário do transformador circula a corrente de alta freqüência, imposta 
pelo chaveamento do transistor. No secundário do transformador aparecerá uma tensão de 
alta freqüência e de baixa amplitude, próxima do nível da tensão contínua que se quer obter 
para a saída da fonte. Para fontes de múltiplas saídas o processo é o mesmo, porém com 
vários enrolamentos secundários. Na figura, o transformador é o responsável por baixar a 
tensão de alta frequência da entrada, chaveada em alta frequência por um MOSFET, nesse 
exemplo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transformador de ferrite em fonte chaveada. 
 
Retificação e Filtragem de Saída 
 
Constituído por diodos retificadores do tipo “fast” ou “ultra-fast”, capacitores 
eletrolíticos de baixa tensão, alta capacitância e baixa resistência série equivalente (ESR) e 
indutores, é responsável pela retificaçãoe a filtragem da tensão fornecida pelo secundário do 
transformador. Para fontes de múltiplas saídas os circuitos com diodos, capacitores e 
indutores repete-se para cada secundário do transformador. Neste caso, os zeros são 
normalmente interligados formando uma única referência denominada GND ou 0V. Na figura 
abaixo, um exemplo de esquemático de retificador e filtro na saída de uma fonte chaveada: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Circuito de realimentação e controle 
 
Constituído por um optoacoplador, que amostra a tensão de saída obtida na etapa de 
retificação e filtragem anterior, e um circuito integrado do tipo comparador. Nesta etapa uma 
amostra da tensão de saída é comparada com uma referência e a diferença realimenta o 
circuito de PWM. O circuito PWM reduz ou aumenta a largura dos pulsos aplicados no 
comando do transistor de chaveamento. Na maioria dos circuitos se a tensão de saída estiver 
baixa, o interruptor eletrônico é comandado a permanecer conduzindo por um tempo maior; 
se estiver alta, o comando determinará um tempo mais curto de condução. Por esse motivo 
o controle é chamado por largura de pulso (PWM = pulse width modulation) e muitas vezes 
as fontes chaveadas são também conhecidas como Fontes PWM . 
Em fontes de múltiplas saídas normalmente escolhe-se a tensão mais “nobre”, que 
alimentará os circuitos mais sofisticados do equipamento, para se utilizar na realimentação e 
controle. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Circuitos de Proteção 
 
Normalmente as fontes chaveadas incorporam circuitos de proteção contra curto-
circuitos, sobretensão e outras condições anormais de funcionamento, constituídos por 
comparadores e outros circuitos auxiliares, colocados posteriormente a etapa de retificação 
e filtragem de saída. Podem ser implementadas através de controles adicionais sobre o 
interruptor eletrônico. Há também circuitos auxiliares para o acionamento do interruptor 
eletrônico e, em alguns casos, de interruptores auxiliares, como é o caso das fontes 
ressonantes. A seguir, uma figura exemplo de um desses circuitos de proteção: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Comparação entre Fontes Lineares e Chaveadas 
 
Conclusão 
 
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 chaveadas permanecem como uma alternativa extremamente 
interessante para todos os sistemas eletrônicos. 
 
Bibliografia e Documentos de Referência 
 
http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/mehl/downloads/FontesChaveadas.pdf 
Acessado em 01/09/2020 
 
https://d335luupugsy2.cloudfront.net/cms/files/29813/1510244199ebook-fontechaveada.pdf 
Acessado em 05/09/2020 
 
https://eletricidadesemsegredosblog.wordpress.com/2017/10/11/fonte-linear-vs-fonte-
chaveada/ 
Acessado em 08/09/2020 
 
Malvino, Albert Paul - Eletrônica no Laboratório - Ed. McGraw-Hill SP - 1987. 
 
Boylestad, Robert - Nashelsky, Louis – Dispositivo Eletrônico e Teoria de Circuitos - Ed. 
Prentice/Hall Brasil - RJ – 1993.