Como funciona uma Fonte Chaveada

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A fonte de alimentação é um item importante de qualquer projeto que precise operar ligado à rede elétrica (ou a uma fonte com características diferentes das necessárias). Nos nossos projetos, tipicamente, precisamos de uma tensão contínua com um valor fixo (por exemplo, 5V) – dentro de uma certa tolerância.

Embora sejam mais complexas que as fontes lineares, as fontes chaveadas são cada vez mais comuns, até mesmo nos projetos caseiros.

Neste post, vamos relembrar como são as fontes lineares, ver o princípio de funcionamento das fontes chaveadas e os seus principais tipos e conhecer as vantagens e desvantagens do seu uso.

Como funciona uma Fonte Chaveada
Este módulo de 2,2 cm é capaz de gerar 5V@2A a partir de uma tensão até 20V, com eficiência de 96%

Os Componentes das Fontes de Alimentação

Uma fonte para uso com a rede elétrica, tipicamente, possui três partes:

  • Um transformador, para reduzir a tensão AC da rede elétrica em uma tensão AC mais próxima da desejada;
  • Um retificador, para converter a tensão AC em uma tensão DC (normalmente diodos mais um capacitor);
  • Um regulador, que gera uma tensão constante a partir da tensão retificada.

Fontes de Alimentação Lineares

Em uma fonte de alimentação linear o regulador é, comumente, um transistor funcionando como um resistor variável controlado pela tensão de saída:

Como funciona uma Fonte Chaveada

Neste circuito, o transistor está sempre ativo. A tensão de entrada precisa ser maior que a de saída e a diferença entre elas será transformada em calor – a potência gerada como calor será (Vin-Vout)*Iout. A dissipação deste calor acaba sendo o limitante para o produto da diferença de tensão pela corrente consumida pelo projeto. Dissipadores de metal e ventiladores podem ser necessários para manter o transistor na faixa de temperatura correta, mas acrescentam volume, peso e barulho. A eficiência do regulador (potência de saída dividida pela potência de entrada) é normalmente baixa, pois existe uma diferença mínima para o transistor operar.

Fontes de Alimentação Chaveada

O diagrama de um regulador chaveado pode ser muito parecido com o de um regulador linear, mas existe uma diferença fundamental: o transistor irá chavear entre dois modos de operação: desligado e ligado (quando ligado o transistor está saturado, ou seja, na sua condução máxima). A tensão de saída será determinada pela frequência em que ocorre o chaveamento e a relação entre o tempo de ligado e desligado.

Como funciona uma Fonte Chaveada

O indutor no circuito armazena energia enquanto o transistor conduz e a libera quando o transistor desliga e o capacitor suaviza a variação de tensão na saída, como mostra a figura abaixo:

Como funciona uma Fonte Chaveada

Como o transistor opera como uma chave, bloqueando ou conduzindo a corrente de entrada, pouca energia é perdida como calor, garantindo uma alta eficiência.

O circuito apresentado é chamado de step-down ou buck converter e gera uma tensão de saída menor que a de entrada. Mudando a posição do indutor, podemos fazer um regulador chaveado do tipo step-up ou booster, que gera uma tensão de saída maior que a entrada:

Como funciona uma Fonte Chaveada

É também possível fazer um regulador chaveado que converte uma tensão positiva em uma tensão negativa.

Mas isso não é tudo. Como o regulador tem uma alta eficiência, mesmo com grandes diferenças entre a tensão de entrada e saída, é possível eliminar o transformador de entrada e ligar diretamente a tensão da rede elétrica retificada ao regulador, reduzindo custo, tamanho e peso da fonte. Atenção: os 110V AC da rede elétrica, quando retificados, geram mais de 150V DC, não tente montar isso em casa! Uma outra desvantagem de eliminar totalmente o transformador é que a fonte não fica isolada da rede, existindo risco de choques e curtos. Por esse motivo, fontes chaveadas sem o transformador na entrada usam um circuito mais complexo que acrescenta um transformador na saída do transistor de chaveamento (este transformador funciona como o indutor do circuito).

Vantagens das Fontes Chaveadas

Com sua maior eficiência, as fontes chaveadas são menores, mais leves e dissipam menos calor que fontes lineares equivalentes. Um exemplo clássico de uso de fonte chaveada foi no Apple ][, supostamente por Steve Jobs não desejar o barulho de um ventilador.

Você vai encontrar fontes chaveadas em muitos lugares, como nos computadores pessoais, nos aparelhos eletrônicos na sua casa e nas fontes (cubos) que você usa com o celular e outros aparelhos.

Desvantagens das Fontes Chaveadas

As fontes chaveadas são mais complexas que as lineares e originalmente tinham fama de não confiabilidade (com direito a falhas pirotécnicas). Hoje em dia, o projeto e fabricação está totalmente dominado e existem circuitos integrados que permitem construir fontes chaveadas com poucos componentes.

Uma desvantagem que continua é o ruído eletromagnético gerado pelo chaveamento. Este ruído pode se manifestar de várias formas:

  • Variação (ripple) na tensão de saída. Esta variação pode afetar os circuitos alimentados pela fonte;
  • Variação colocada na tensão de entrada (eventualmente até na rede elétrica). Esta variação pode afetar outros aparelhos que recebam a mesma tensão;
  • Ruído eletromagnético emitido, que pode interferir em equipamentos próximos.

As duas primeiras podem ser aliviadas através de filtros e, a terceira, através de blindagem da fonte – porém, o ruído eletromagnético pode tornar inviável o uso de fontes chaveadas na alimentação de circuitos mais sensíveis ou que serão usados próximos a aparelhos sensíveis.

Usando Fontes Chaveadas no Seu Projeto

Dada a complexidade de projeto e construção, recomendo que a montagem deste tipo de circuito seja feita apenas por pessoas mais experientes. Mas você pode usar os módulos prontos que estão disponíveis na loja da FilipeFlop, como os abaixo:

Como funciona uma Fonte Chaveada

Regulador de Tensão LM2596 Conversor DC-DC Step Down

Este módulo pode reduzir uma tensão de 3,2 a 40V para 1,5 a 35, suportando uma corrente de até 3A (é necessário acrescentar um dissipador se a potência de saída for maior que 15W).

 

 

 

Como funciona uma Fonte Chaveada

Conversor Boost DC Ajustável Step Up

Este módulo pode elevar uma tensão entre 2 e 24V para 2 a 28V, suportando uma corrente de até 1A.

 

 

 

Como funciona uma Fonte Chaveada

Conversor de Tensão Buck Boost Ajustável DC-DC

Este módulo é capaz de abaixar ou elevar a tensão de entrada, gerando uma tensão entre 1,25 a 35V a partir de outra entre 3,8 e 32V. Suporta uma corrente de até 3A.

 

 

 

Conclusão

As fontes chaveadas são uma opção importante quando você precisa de uma geração eficiente da tensão de alimentação do seu projeto.

Agora que você já conhece as fontes chaveadas, que tal testar algum projeto com elas?

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