Qual é a fonte de alimentação?
Uma fonte de alimentação é um dispositivo elétrico que converte a corrente de uma fonte de energia (como uma rede eléctrica) na tensão necessária a uma carga (como um motor ou um dispositivo eletrónico).
Existem dois tipos principais de fontes de alimentação: fontes de alimentação lineares e fontes de alimentação comutadas.
Fonte de alimentação linear: Os projectos de fontes de alimentação lineares utilizam um transformador para reduzir a tensão de entrada e, em seguida, rectificam e convertem a tensão para uma tensão CC, que é depois filtrada para melhorar a qualidade da forma de onda. As fontes de alimentação lineares utilizam reguladores lineares para manter a tensão de saída constante. Os reguladores lineares dissipam qualquer excesso de energia sob a forma de calor.
Fonte de alimentação comutada: A conceção de uma fonte de alimentação comutada é uma abordagem mais recente que resolve muitos dos problemas presentes na conceção de uma fonte de alimentação linear, incluindo o tamanho do transformador e questões de regulação da tensão. Numa conceção de fonte de alimentação comutada, a tensão de entrada já não é reduzida, mas é rectificada e filtrada na entrada; é depois convertida numa sequência de impulsos de alta frequência por um chopper; é filtrada e rectificada novamente antes de a tensão chegar à saída.
Índice
Princípio de funcionamento da fonte de alimentação comutada
As fontes de alimentação lineares AC/DC têm sido utilizadas há muito tempo para converter corrente alternada da rede eléctrica em corrente contínua para utilização em electrodomésticos ou iluminação. Mas as aplicações de alta potência exigem cada vez mais fontes de alimentação mais pequenas. As fontes de alimentação lineares foram relegadas para utilizações industriais e médicas específicas, onde o seu baixo ruído ainda as torna úteis; as fontes de alimentação comutadas substituíram-nas em grande parte devido ao seu tamanho reduzido, à sua elevada eficiência e à sua capacidade de lidar com potências elevadas. A figura 1 ilustra o processo geral de conversão de corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) numa fonte de alimentação comutada.
Figura 1: Fonte de alimentação comutada CA/CC isolada
Retificação da entrada
A retificação é o processo de conversão da tensão CA em tensão CC. A retificação do sinal de entrada é o primeiro passo nas fontes de alimentação AC/DC de modo comutado.
A tensão CC é normalmente considerada como uma tensão constante em linha reta, como a fornecida por uma bateria. Mas, na realidade, a corrente contínua (CC) é definida como um fluxo unidirecional de carga. Isto significa que a tensão CC flui na mesma direção, mas não é necessariamente constante.
Onda sinusoidal Corrente alternada (CA) A onda sinusoidal é a forma de onda de tensão mais típica, com a primeira metade do ciclo a ser positiva e a segunda metade do ciclo a ser negativa. Se o meio ciclo negativo for invertido ou eliminado, a corrente deixa de ser alternada e passa a ser contínua. Este processo de conversão pode ser conseguido através da retificação.
A retificação é conseguida através da utilização de díodos num retificador passivo de meia ponte para eliminar a metade negativa da onda sinusoidal (ver Figura 2). O díodo permite a passagem de corrente durante o meio-ciclo positivo da onda e bloqueia a corrente quando esta flui na direção oposta.
Figura 2: Retificador de meia ponte
Uma onda sinusoidal rectificada terá uma potência média baixa e não será capaz de alimentar eficazmente um dispositivo. Outro método mais eficaz consiste em alterar a polaridade da meia onda negativa, transformando-a numa onda positiva. Este método é chamado de retificação de onda completa e requer apenas quatro díodos numa configuração de ponte completa (ver Figura 3). Esta configuração assegura uma direção estável da corrente, independentemente da polaridade da tensão de entrada.
Figura 3: Retificador de ponte completa
Em comparação com a retificação de meia ponte, a tensão média de saída da forma de onda rectificada de onda completa é mais elevada, mas ainda está longe da forma de onda CC constante necessária para alimentar equipamento eletrónico. Embora já seja uma forma de onda DC, pode ver-se pela forma da onda de tensão que a tensão muda muito rápida e frequentemente, e a utilização de tal DC para alimentar equipamento será ineficiente. Esta variação periódica da tensão CC é designada por ondulação, e a redução ou eliminação da ondulação é fundamental para obter uma fonte de alimentação eficiente.
A forma mais simples e mais comum de reduzir a ondulação é adicionar um condensador grande, chamado condensador de armazenamento ou filtro de suavização, à saída do retificador (ver Figura 4).
Este condensador armazena a tensão durante o pico da onda e, em seguida, fornece corrente à carga até que a sua tensão seja inferior à onda de tensão rectificada ascendente. A forma de onda que produz estará mais próxima da forma desejada e também pode ser considerada como uma tensão CC sem um componente CA. Esta forma de onda de tensão final pode alimentar equipamento de corrente contínua.
Figura 4: Retificador de ponte completa com filtro de suavização
Os rectificadores passivos utilizam díodos semicondutores como interruptores não controlados, que são o método mais simples de retificar ondas CA, mas não são os mais eficientes.
Os díodos são interruptores relativamente eficientes. Ligam-se e desligam-se rapidamente com um consumo mínimo de energia. Mas o único problema é que existe uma queda de tensão de polarização direta de 0,5 V a 1 V, o que reduz a eficiência.
Os rectificadores activos substituem os díodos por interruptores controláveis, como os MOSFET ou os transístores BJT (ver Figura 5). Tem duas vantagens: em primeiro lugar, os rectificadores com transístor não têm a queda de tensão de 0,5 V a 1 V inerente aos díodos semicondutores, porque a sua resistência pode ser arbitrariamente pequena e, por conseguinte, a queda de tensão também é pequena; em segundo lugar, o transístor é um interrutor controlado, o que significa que a frequência de comutação pode ser ajustada e optimizada.
A desvantagem é que os rectificadores activos requerem circuitos de controlo mais complexos para atingir os seus objectivos, o que exige componentes adicionais e, por conseguinte, um custo mais elevado.
Figura 5: Retificador ativo de ponte completa
Correção do fator de potência (PFC)
O segundo passo na conceção de uma fonte de alimentação comutada é a correção do fator de potência (PFC).
Os circuitos PFC contribuem pouco para a conversão efectiva de CA para CC, mas são uma parte importante da maioria das fontes de alimentação comerciais.
Figura 6: Formas de onda da tensão e da corrente à saída do retificador
Observando a forma de onda da corrente do condensador de armazenamento do retificador (ver Figura 6), verá que a corrente de carga flui através do condensador num intervalo de tempo muito curto; especificamente, desde o ponto em que a tensão à entrada do condensador é maior do que a carga do condensador, até ao ponto em que o sinal rectificado entre picos. Isto provoca uma série de picos de corrente de curta duração no condensador, causando sérios problemas não só para a fonte de alimentação, mas também para toda a rede. Porque estes picos de corrente são injectados na rede e geram um grande número de harmónicas. As harmónicas criam distorções que podem afetar outras fontes de energia e equipamentos ligados à rede.
Na conceção de uma fonte de alimentação comutada, o objetivo do circuito de correção do fator de potência é filtrar estes harmónicos e minimizá-los. Existem dois tipos de circuitos de correção do fator de potência: activos e passivos.
Os circuitos PFC passivos consistem em filtros passa-baixo passivos que tentam eliminar os harmónicos de alta frequência. No entanto, o PFC passivo por si só não permite que as fontes de alimentação, especialmente em aplicações de alta potência, cumpram as especificações internacionais de ruído harmónico. Deve ser utilizada a correção ativa do fator de potência.
O PFC ativo pode alterar a forma da onda de corrente para que esta siga a forma de onda da tensão. Os harmónicos são deslocados para frequências mais altas e, por isso, são mais fáceis de filtrar. Neste caso, o circuito mais comummente utilizado é um conversor boost (ou step-up).
Isolamento: Fontes de alimentação comutadas isoladas e não isoladas
Independentemente da presença de um circuito PFC, o passo final na conversão de energia é reduzir a tensão CC rectificada para uma magnitude adequada à aplicação pretendida.
Uma vez que a forma de onda CA de entrada é rectificada na entrada, a tensão CC de saída é muito elevada: sem PFC, a tensão CC de saída do retificador será de aproximadamente 320V; com o circuito PFC ativo presente, a saída do conversor de impulso será de 400V ou mais Tensão CC estável elevada.
As tensões elevadas em ambos os casos são extremamente perigosas e desnecessárias para a maioria das aplicações que requerem tensões muito baixas. A Tabela 1 enumera vários aspectos que devem ser considerados ao selecionar a topologia de isolamento correta, incluindo o conversor e a aplicação.
Tabela 1: Fontes de alimentação CA/CC isoladas e não isoladas
A escolha do método de redução da tensão arterial está principalmente relacionada com a segurança.
O lado de entrada da fonte de alimentação está ligado à rede eléctrica CA, o que significa que se houver uma fuga na saída, um choque desta magnitude pode causar ferimentos graves ou mesmo a morte, e pode danificar qualquer equipamento ligado à saída.
A segurança é garantida pelo isolamento magnético dos circuitos de entrada e saída de energia CA/CC ligados à rede eléctrica. Os circuitos mais utilizados nas fontes de alimentação CA/CC isoladas são os conversores flyback e os conversores LLC ressonantes, porque ambos têm isolamento elétrico ou magnético (ver Figura 7).
Figura 7: Conversor Flyback (esquerda) e conversor ressonante LLC (direita)
A utilização de um transformador significa que o sinal não pode ser uma tensão contínua plana. Em vez disso, a tensão tem de mudar e, por conseguinte, a corrente tem de mudar, para que a energia possa ser transferida de um lado do transformador para o outro através do acoplamento indutivo. Por conseguinte, tanto os conversores flyback como os conversores LLC "cortam" a tensão CC de entrada numa onda quadrada, que é depois reduzida através de um transformador. Finalmente, a forma de onda é novamente rectificada antes da saída.
Utilizado principalmente em aplicações de baixa potência, um conversor flyback é também um conversor buck-boost isolado cuja tensão de saída pode ser superior ou inferior à tensão de entrada, dependendo da relação entre os enrolamentos primário e secundário do transformador.
O funcionamento de um conversor flyback é muito semelhante ao de um conversor boost.
Quando o interrutor está fechado, a bobina primária é carregada pela entrada e forma um campo magnético; quando o interrutor é aberto, a carga no indutor primário é transferida para o enrolamento secundário, que injecta corrente no circuito, alimentando assim a carga.
O conversor flyback é relativamente fácil de conceber e requer menos componentes do que outros conversores, mas não é eficiente porque obriga o transístor a ligar-se e desligar-se à vontade, e esta comutação forçada provoca enormes perdas (ver Figura 8). Especialmente em aplicações de alta potência, isso encurta a vida útil do transistor e cria uma enorme dissipação de energia. Por conseguinte, o conversor flyback é mais adequado para aplicações de baixa potência, em que a potência é geralmente de até 100W.
Os conversores ressonantes LLC são normalmente utilizados em aplicações de alta potência. O seu circuito é também isolado magneticamente através de um transformador. Os conversores LLC baseiam-se no fenómeno da ressonância, o que significa que quando a frequência de funcionamento coincide com a frequência natural do filtro, esta frequência será amplificada. Neste caso, a frequência de ressonância do conversor LLC é definida pelo indutor e condensador em série (filtro LC) e é também afetada pelo efeito adicional da indutância primária (L) do transformador, daí o nome conversor LLC.
Os conversores ressonantes LLC são preferidos para aplicações de alta potência porque podem produzir comutação de corrente zero, também conhecida como comutação suave (ver Figura 8). Quando a corrente no circuito é próxima de zero, pode ligar e desligar o interrutor, minimizando as perdas de comutação do transístor, reduzindo assim a EMI e melhorando a eficiência. No entanto, esta melhoria de desempenho tem um preço: É muito difícil projetar um conversor ressonante LLC que possa alcançar uma comutação suave sob várias condições de carga. Para isso, a MPS desenvolveu uma ferramenta especial de projeto LLC que garante que o conversor opere no estado de ressonância correto, alcançando assim uma melhor eficiência de comutação.
Figura 8: Perdas por comutação dura (esquerda) e por comutação suave (direita)
Como mencionado anteriormente, uma das limitações das fontes de alimentação CA/CC é o tamanho e o peso do transformador de entrada. Isto deve-se ao facto de a baixa frequência de funcionamento do transformador de entrada (50 Hz) exigir um indutor e um núcleo maiores para evitar a saturação.
Nas fontes de alimentação comutadas, a frequência de oscilação da tensão é significativamente mais elevada (pelo menos acima de 20kHz). Isto significa que o transformador abaixador pode ser mais pequeno porque os sinais de alta frequência criam menos perdas magnéticas no transformador linear. À medida que o tamanho do transformador de entrada se torna mais pequeno, o sistema pode ser miniaturizado, tornando possível encaixar toda a fonte de alimentação num carregador de telemóvel, como o que usamos atualmente.
Alguns equipamentos de corrente contínua não requerem um transformador para proporcionar isolamento. Isto é comum em dispositivos que não requerem o toque direto do utilizador (por exemplo, luzes, sensores, IoT, etc.), uma vez que qualquer processamento dos parâmetros do dispositivo é feito num dispositivo separado (por exemplo, telefone, tablet ou computador).
Este facto tem vantagens significativas em termos de peso, dimensão e desempenho do dispositivo. Estes conversores reduzem o nível de tensão de saída utilizando um conversor buck de alta tensão. O seu circuito pode ser considerado como o circuito inversor do conversor boost mencionado anteriormente. Neste caso, quando o interrutor do transístor está fechado, a corrente que flui através do indutor cria uma tensão através do indutor, que cancela a tensão da alimentação, reduzindo assim a tensão na saída. Quando o interrutor é aberto, o indutor fornece corrente à carga, mantendo a tensão através da carga quando o circuito é desligado da fonte de alimentação.
As fontes de alimentação AC/DC comutadas utilizam conversores buck de alta tensão porque os transístores MOSFET que actuam como interruptores têm de ser capazes de suportar grandes variações de tensão (ver Figura 9). Quando o interrutor está fechado, a tensão através do MOSFET é próxima de 0V; mas quando está aberto, esta tensão sobe para 400V numa aplicação monofásica e para 800V num conversor trifásico. Estas alterações súbitas de alta tensão podem facilmente danificar os transístores normais, pelo que são utilizados MOSFETs especiais de alta tensão.
Figura 9: Fonte de alimentação comutada CA/CC não isolada com PFC ativo
Um conversor buck é mais fácil de integrar do que um transformador porque requer apenas um indutor. A sua eficiência de redução de tensão é também mais elevada, com uma eficiência de até 95% em condições normais. Esta elevada eficiência é alcançada porque os transístores e díodos não consomem quase nenhuma potência de comutação, sendo as únicas perdas provenientes do indutor.
Resumir
As fontes de alimentação comutadas CA/CC são atualmente o método mais eficiente de conversão de energia CA em energia CC. A sua conversão de energia divide-se em três fases:
1. Retificação da entrada: A tensão CA da rede de entrada é convertida numa onda rectificada de CC através de uma ponte de díodos. A adição de um condensador à saída da ponte pode reduzir a tensão de ondulação.
2. Correção do fator de potência (PFC): Devido à presença de corrente não linear no retificador, o conteúdo harmónico da corrente é muito elevado. Existem duas formas de resolver este problema: uma é utilizar o PFC passivo, que utiliza filtros para suprimir os efeitos harmónicos, mas este método não é eficiente; o segundo método é designado por PFC ativo, que utiliza comutadores para o conversor de tensão, de modo a que a forma de onda da corrente siga a forma de onda da tensão de entrada. O PFC ativo é a única forma de permitir que os conversores de energia cumpram as normas actuais de tamanho e eficiência.
3. Isolamento: As fontes de alimentação comutadas podem ser isoladas ou não isoladas. Um dispositivo está isolado quando a entrada e a saída de uma fonte de alimentação não estão fisicamente ligadas. O isolamento pode ser conseguido através de um transformador, que isola eletricamente as duas metades do circuito. Mas os transformadores só podem transmitir energia quando a corrente muda, pelo que a tensão CC rectificada é cortada numa onda quadrada de alta frequência e depois transmitida para o circuito secundário; é depois novamente rectificada e finalmente passada para a saída.
O projeto de uma fonte de alimentação comutada requer a consideração de todos os aspectos, especialmente a segurança, o desempenho, o tamanho e o peso. O circuito de controlo das fontes de alimentação comutadas é também mais complexo do que o das fontes de alimentação lineares, pelo que muitos projectistas consideram útil utilizar módulos integrados na fonte de alimentação.
