As fontes de alimentação do modo interruptor são utilizadas para converter a tensão de entrada para o valor necessário pelos componentes internos. Outro nome comum para mudar de fonte de alimentação é inversores.
Conteúdos
O que é uma fonte de alimentação de comutação?
Um inversor é uma fonte de alimentação secundária que utiliza uma dupla conversão da tensão CA de entrada. Os valores de saída são ajustados através da alteração da duração (largura) dos impulsos e, em alguns casos, da sua frequência. Este tipo de modulação chama-se modulação de largura de pulso.
O princípio de uma fonte de alimentação de comutação
O inversor funciona rectificando a tensão primária e depois convertendo-a num comboio de impulsos de alta frequência. Isto está em contraste com um transformador convencional. A tensão de saída é utilizada para gerar um sinal de feedback negativo que permite ajustar os parâmetros do pulso. Controlando a largura do impulso, é fácil organizar a estabilização e regulação dos parâmetros de saída, tensão ou corrente. Ou seja, pode ser um regulador de voltagem, bem como um regulador de corrente.
O número e a polaridade dos valores de saída podem ser muito diferentes, dependendo de como funciona a fonte de alimentação de comutação.
Variedade de fontes de alimentação
Vários tipos de inversores, que diferem nos seus circuitos, são utilizados:
- sem transformador;
- transformador.
Os primeiros distinguem-se pelo facto de a sequência de impulsos ir directamente para o rectificador de saída e filtro de alisamento do dispositivo. Tal circuito tem um mínimo de componentes. Um inversor simples inclui um circuito integrado especializado - oscilador de largura de pulso.
A principal desvantagem dos dispositivos sem transformador é que não têm isolamento galvânico da rede de alimentação e podem constituir um risco de choque. Também têm normalmente baixa potência e fornecem apenas 1 valor de tensão de saída.
Mais comuns são os dispositivos transformadores em que uma sequência de impulsos de alta frequência é aplicada ao enrolamento primário do transformador. Pode haver tantos enrolamentos secundários quantos forem necessários, permitindo a formação de várias tensões de saída. Cada enrolamento secundário é carregado com o seu próprio rectificador e filtro de alisamento.
Uma potente unidade de alimentação de modo de comutação de qualquer computador é construída de acordo com um circuito deste tipo, que tem alta fiabilidade e segurança. Para o sinal de feedback, é utilizada aqui uma tensão de 5 ou 12 volts, uma vez que estes valores requerem a melhor estabilização possível.
A utilização de transformadores para conversão de alta frequência (dezenas de kilohertz em vez de 50 Hz) tornou possível reduzir muitas vezes o seu tamanho e peso e utilizar materiais ferromagnéticos com elevada força coerciva como material do núcleo (fio magnético) em vez de ferro eléctrico.
Os conversores DC-DC são também baseados na modulação da largura de pulso. Sem utilizar circuitos inversores, a conversão foi muito difícil.
Circuito de fornecimento de energia CC
O diagrama do circuito da configuração mais comum do inversor de impulsos inclui:
- Um filtro de linha para supressão de interferências;
- rectificador;
- Um filtro de alisamento;
- conversor de largura de pulso;
- transístores chave;
- transformador de alta-frequência de saída;
- rectificadores de saída;
- Filtros de saída individuais e de grupo.
O objectivo do filtro de supressão de interferências é reter as interferências do funcionamento da unidade para a rede de alimentação. A comutação de elementos semicondutores de alta potência pode ser acompanhada pela geração de impulsos de curto prazo num amplo espectro de frequências. Por conseguinte, é necessário utilizar elementos especialmente concebidos como condensadores de passagem para as ligações de filtragem.
O rectificador serve para a conversão da tensão CA de entrada em tensão contínua, e um filtro de alisamento a jusante elimina a ondulação da tensão rectificada.
Quando se utiliza um conversor CC, o rectificador e o filtro são desnecessários e o sinal de entrada, após passar por um circuito de filtro de ruído, é alimentado directamente para o modulador de largura de pulso (PWM), ou em resumo, PWM.
O PWM é a parte mais complexa de um circuito de alimentação de comutação. A sua tarefa inclui:
- Geração de impulsos de alta frequência;
- monitorização dos parâmetros de saída da unidade e correcção do comboio de impulsos em conformidade com o sinal de retorno;
- Monitorização e protecção contra sobrecargas.
O sinal PWM é alimentado aos pinos de controlo dos transístores de alta potência de ponte ou meia ponte. Os cabos de alimentação estão ligados ao enrolamento primário do transformador de saída de alta frequência. Os transístores bipolares tradicionais são substituídos por transístores IGBT ou MOSFET, que têm uma queda de tensão de junção muito baixa e um desempenho de alta velocidade. O melhor desempenho dos transístores permite uma redução na dissipação de energia para as mesmas dimensões e desenho técnico.
O transformador de impulso de saída utiliza o mesmo princípio de conversão que o transformador clássico. A excepção é a operação de sobrefrequência. Como consequência, os transformadores de alta frequência têm dimensões mais pequenas para a mesma potência transmitida.
A voltagem do enrolamento secundário do transformador de potência (pode haver vários) é alimentada pelos rectificadores de saída. Ao contrário do rectificador de entrada, os díodos rectificadores do circuito secundário devem ter uma frequência de funcionamento mais elevada. Os díodos Schottky funcionam melhor nesta secção do circuito. As suas vantagens em relação aos díodos convencionais são:
- alta frequência de funcionamento;
- capacidade de junção p-n inferior;
- queda de baixa tensão.
O objectivo do filtro de saída numa fonte de alimentação em modo de comutação é reduzir a ondulação na tensão de saída rectificada ao mínimo necessário. Uma vez que a frequência de ondulação é muito superior à da tensão da linha, não há necessidade de alta capacitância e indutância nas bobinas.
Âmbito de aplicação da fonte de alimentação do modo comutado
Os inversores de tensão de pulso são utilizados na maioria dos casos em vez dos tradicionais inversores de transformadores com estabilizadores semicondutores. Com a mesma potência, os inversores são mais pequenos e leves, mais fiáveis e, o mais importante, mais eficientes e podem operar numa vasta gama de tensões de entrada. E para um tamanho comparável, a potência máxima do inversor é várias vezes superior.
Numa área como a conversão da tensão DC, as fontes de impulso não têm praticamente nenhuma alternativa e são capazes de funcionar não só reduzindo a tensão, mas também gerando uma tensão mais alta e organizando a inversão de polaridade. A alta frequência de conversão facilita muito a filtragem e estabilização dos parâmetros de saída.
Pequenos inversores baseados em circuitos integrados especializados são utilizados como carregadores para todo o tipo de aparelhos, e a sua fiabilidade é tal que a vida útil da unidade de carregamento pode exceder por várias vezes a vida útil de um dispositivo móvel.
Os controladores de potência de 12 volts para ligar as fontes de luz LED também se baseiam num circuito de comutação.
Como fazer uma fonte de alimentação de comutação com as suas próprias mãos
Os inversores, especialmente os poderosos, têm circuitos complexos e só são acessíveis a radioamadores experientes. Circuitos simples de baixa potência com a utilização de controladores PWM especializados podem ser recomendados para a auto-montagem de fontes de alimentação. Estes circuitos integrados são de baixa cablagem e têm um desenho de circuito bem estabelecido que não requer praticamente nenhum ajuste e afinação.
Ao trabalhar em construções artesanais ou na reparação de dispositivos industriais, lembre-se que parte do circuito estará sempre sob o potencial da rede, pelo que devem ser observadas precauções de segurança.
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