Fontes de Alimentação - volume 1

Integrados

INTRODUCÃO

Todos os circuitos eletrônicos precisam de energia elétrica para funcionar. Porém, nem sempre essa energia está disponível numa tomada da rede de energia ou mesmo numa bateria, na forma como o circuito eletrônico precisa.

Assim, considerando que a maioria dos circuitos eletrônicos opera com baixas tensões contínuas e que na rede de energia temos altas tensões alternadas é preciso haver um meio de se fazer a conversão para a utilização. Da mesma forma, existem circuitos que operam com tensões contínuas mais elevadas do que aquela que a fonte de energia disponível pode fornecer.

Essa conversão da energia disponível para a forma como o circuito necessita são usadas configurações específicas que recebem o nome de fontes de alimentação.

Uma fonte de alimentação consiste, portanto, num circuito que a partir da tensão elétrica disponível (alternada ou contínua) fornece a tensão contínua (ou mesmo alternada) na forma como o circuito alimentado necessita.

O tipo mais comum de fonte de alimentação é a que converte a tensão alternada da rede de energia de 110/220 V (117/127/220/24 V) em baixas tensões contínuas, na faixa de 3 a 60 V.

No entanto, também existem fontes especiais que convertem a tensão contínua mais baixa de uma bateria em uma tensão contínua mais alta para alimentar um circuito.

Todas essas fontes também recebem a denominação de conversores DC/DC (tensões contínuas para tensões contínuas) enquanto que também existem os conversores DC/AC ou inversores que convertem tensões contínuas em alternadas.

As fontes podem operar basicamente segundo duas tecnologias. Podem ser lineares ou analógicas que são as mais comuns e podem ser chaveadas ou comutadas, denominadas também switched mode power supplies ou SMPS que têm maior rendimento e cada vez são utilizadas.

Em nosso estoque de circuitos e projetos temos uma enorme quantidade de fontes de alimentação, de todos os tipos e para muitas finalidades.

Assim, separamos as fontes em dois volumes, contendo projetos práticos e informações importantes para quem deseja montar uma fonte de alimentação.

Nestes dois volumes abordaremos principalmente as fontes de corrente contínua, ou seja, que fornecem tensões contínuas em suas saídas quer sejam a partir de tensões alternadas da rede de energia, como de baterias de menor ou maior tensão.

Analisaremos seu princípio de funcionamento e daremos uma boa quantidade de projetos práticos.

A tecnologia será principalmente a linear ou analógica, por um simples motivo: são as fontes que podemos montar com facilidade e as que mais são usadas nas aplicações práticas.

As fontes chaveadas, é claro, não serão esquecidas. Analisaremos no segundo volume seu princípio de funcionamento, sua utilização e como podem ser montadas.

Até daremos alguns projetos, mas lembramos que essas fontes se destinam muito mais a aplicações industriais onde o rendimento, o espaço ocupado são fatores importantes.

Para essas existem componentes específicos prontos e elas exigem o emprego de componentes especiais, como o transformador de ferrite que oferecem certa dificuldade de obtenção no mercado comum de componentes.

Os projetos das fontes lineares abordados nestes dois livros utilizam componentes comuns, o que é muito importante para quem deseja ter uma fonte viável.

De nada adianta darmos um projeto de uma fonte sofisticada que não só seja cara demais para a aplicação que o leitor tenha em mente, como ainda use componentes e tecnologia que não estejam ao seu alcance.

A finalidade deste livro é ser prático: fontes que possam ser montadas, que atendam às necessidades do leitor e, sobretudo, que tenham um princípio de funcionamento que o leitor entenda.

Observamos que diversas dessas fontes foram publicadas em revistas e no nosso site e que muitas delas são desenvolvidas a partir de projetos das fábricas dos semicondutores básicos usados.

Newton C. Braga

Onde são usadas as fontes

Onde houver necessidade de uma alteração na forma como a energia elétrica deve ser utilizada por um circuito eletrônico, precisamos de um bloco especial que faça essa modificação.

Esse bloco é a fonte de alimentação, que pode ter os mais diversos graus de complexidade dependendo dos seguintes fatores:

A tensão de entrada

A tensão de saída

Corrente

Número de saídas

Normalmente, na obtenção de tensões contínuas a partir de tensões alternadas, que é o tipo mais comum de fonte, são utilizadas diversas tecnologias.

Essas tecnologias vão desde a mais simples que consiste na retificação e filtragem, até as mais complexas que envolvem circuitos reguladores analógicos ou ainda a conversão chaveada, que veremos em capítulos especiais deste livro.

As fontes de alimentação podem ser utilizadas tanto embutidas num equipamento, fornecendo a energia para os circuitos na forma que ele necessita como podem ser equipamentos isolados para uso em bancadas de reparos, desenvolvimento e testes.

A tecnologia a ser usada vai depender justamente desse uso.

Assim, nos equipamentos em que a fonte é embutida, existe a preocupação para que a fonte ocupe o menor espaço possível, tenha o máximo rendimento e seja a mais barata possível.

Para esses equipamentos existem duas possibilidades:

Se o equipamento não exigir uma tensão estabilizada, não for crítico, uma fonte simples to tipo analógico serve perfeitamente.

No entanto, se o equipamento for sofisticado e exigir uma fonte crítica como para a alimentação de microprocessadores, DSPs e outros circuitos desse tipo, a fonte deve ser chaveada.

No primeiro caso temos os equipamentos de baixo custo ligados à rede como brinquedos, órgãos eletrônicos muito simples, minuterias, alarmes, etc.

No segundo caso temos os equipamentos de som tipo pilha/luz, telefones celulares, etc.

Nestas fontes podem ser encontrados circuitos denominados conversores que alteram as tensões tanto de uma entrada externa como da própria pilha para a tensão que os circuitos necessitam para funcionar.

Também são utilizadas fontes chaveadas em equipamentos de consumo como televisores, monitores de vídeo que são ligados diretamente à rede de energia.

Estes equipamentos precisam de diversas tensões contínuas, algumas das quais de valores elevados as quais podem ser obtidas diretamente a partir da rede de energia sem a necessidade de um transformador.

Como esses equipamentos não possuem partes expostas, pode-se obter a tensão que eles necessitam a partir de fontes que não façam uso de transformadores.

Assim, é comum que nesses equipamentos sejam usadas fontes chaveadas sem transformadores que geram as tensões altas para algumas etapas e baixas para outras, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 – Uma fonte chaveada comum

O transformador é um componente caro e pesado e sua eliminação pode ser um fator de economia muito importante para um fabricante de equipamentos eletrônicos.

No entanto, o transformador é importante em muitas aplicações, pois ele isola o equipamento da rede de energia, agregando assim segurança.

Poderemos tocar nos diversos pontos do circuito alimentado sem que isso signifique perigo de choques.

Também são usadas fontes analógicas sem transformadores (FAST) em circuitos muito econômicos de baixa tensão.

Nesses equipamentos, que não possuem partes expostas, uma fonte muito simples e sem a necessidade de uma corrente elevada serve perfeitamente.

Nas fontes de bancada, como a mostrada na figura 2, o tipo mais comum é o analógico.

Figura 2 – Fonte de bancada com indicadores analógicos de tensão e corrente

O que ocorre é que num circuito analógico é mais fácil alterar-se a tensão e de se fazer a implementação de recursos mais flexíveis como proteções, diversas tensões de saída, etc.

Assim, a grande maioria das fontes usadas em bancadas é desse tipo eventualmente contendo indicadores digitais de tensão como a mostrada na figura 3.

Figura 3 – Fonte com indicador digital.

Em vista do que vimos a escolha de uma fonte para uma aplicação envolve os seguintes fatores:

TENSÃO DE ENTRADA E SAÍDA

Alta tensão de entrada – baixa tensão de saída

Opções – alta potência:

Fonte analógica com transformador

Fonte chaveada com transformador

Alta tensão de entrada – baixa tensão de saída

Opções – baixa potência

Fonte sem transformador

Fonte analógica com transformador

Alta tensão de entrada – alta tensão de saída

Fonte chaveada sem transformador

Fonte analógica com ou sem transformador

CORRENTE DE SAÍDA

Baixa corrente de saída:

Fonte sem transformador

Fonte analógica com transformador

Alta corrente de saída:

Fonte analógica com transformador

Fonte chaveada

REGULAGEM

Pequena regulagem:

Fonte analógica simples

Fonte sem transformador

Boa regulagem:

Fonte analógica

Fonte chaveada

A partir dessas considerações, podemos partir para a teoria de funcionamento das fontes e circuitos práticos.

Fontes Lineares

As fontes lineares ou analógicas são as mais comuns e mais tradicionais na maioria das aplicações eletrônicas.

A estrutura básica de uma fonte deste tipo é mostrada na figura 4.

Figura 4 – Diagrama de blocos de uma fonte linear

O primeiro bloco, normalmente utiliza um transformador e sua finalidade é alterar a tensão alternada de entrada para um valor que melhor possa ser utilizado pelas etapas seguintes.

O segundo bloco é o de retificação, utilizando diodos semicondutores, válvulas ou outros dispositivos que apresentem a propriedade de conduzir a corrente num único sentido.

O bloco de filtragem basicamente consta de capacitores, mas podemos encontrar elementos adicionais como indutores e resistores, dependendo da configuração e aplicação do circuito.

Temos finalmente um bloco regulador de tensão, que tem por finalidade fornecer a tensão desejada na saída, sem variações, independentemente da carga alimentada.

Nas fontes lineares ou analógicas esse bloco funciona como um resistor variável, cuja resistência muda com a corrente na carga de modo a formar um divisor em que a tensão na carga se mantém constante independente da corrente que ela drene.

Isso é mostrado na figura 5.

Figura 5 – Circuito regulador e carga formam um divisor de tensão

Quando a corrente aumenta na carga, a resistência do dispositivo regulador diminui de modo a compensar essa variação, mantendo a tensão no dispositivo alimentado constante.

Veja que esse comportamento é diferente das fontes chaveadas, em que a tensão na carga é mantida pelo tempo de condução de um dispositivo que funciona como um interruptor, ligando e desligando a corrente.

Enquanto que num caso temos uma operação no domínio das resistências, no outro temos uma operação no domínio dos tempos.

Elementos adicionais podem ser agregados a estes blocos como um bloco de medida da tensão de saída para as fontes variáveis, blocos de proteção que desativam a fonte quando ocorre curto na saída ou quando a corrente ultrapassa determinado valor, etc.

Podemos a partir de agora fazer uma análise detalhada de cada um desses blocos.

O transformador

Na maioria das fontes lineares, o primeiro bloco que encontramos tem por componente básico um transformador.

Sua finalidade é alterar a tensão alternada de entrada, passando-a para um valor que possa melhor ser usado pelos circuitos seguintes, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Usando transformadores para alterar a tensão

Na maioria dos casos é utilizado um transformador simples abaixador de tensão.

No entanto, dependendo da fonte podemos ter diversos outros tipos de transformadores que são mostrados na figura 7.

Figura 7 – Outros tipos de transformadores

Assim, em (a) temos um transformador com dois secundários, de modo a se obter duas tensões diferentes para setores diferentes de um mesmo equipamento.

Nos equipamentos valvulados antigos e mesmo nas versões modernas, é comum o uso de um transformador que tenha um secundário duplo de alta tensão para a alimentação dos denominados circuitos de placa e um secundário de baixa tensão, normalmente 6,3 V, para os filamentos das válvulas.

As válvulas operam com altas tensões sendo comuns os valores de 80 V a 450 V nesses transformadores.

Em (b) temos um auto-transformador, em que existe um enrolamento único cujas derivações funcionam como primário e secundário.

Os transformadores desse tipo são componentes pesados e caros, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – Transformadores para fontes de equipamentos valvulados

É importante notar que a transferência da energia de um enrolamento para outro num transformador comum se faz exclusivamente pelo campo magnético.

Assim, o enrolamento primário é isolado do secundário, o