Projeto de fonte de alimentação

FinalidadeO propósito desta seção é fornecer um guia prático para a escolha do transformador e dos componentes responsáveis pela filtragem da tensão alternada. Algumas de suposições básicas são feitas para evitar discussão acadêmica desnecessária. Para quem estiver interessado em uma análise teórica mais detalhada existe várias referências excelentes.

Uma das questões mais trabalhosas encontradas pelo projetista é a seleção das características do transformador, para um projeto específico de uma fonte. Existe uma variedade de configurações de retificadores e filtros. Em nome da simplicidade faremos algumas suposições que serão válidas para 99% das aplicações habituais.

FiltrosSerão descartadas o uso de filtros que usam indutores (choke) e restringiremos nossa escolha aos filtros que usam capacitores, pelo seguinte motivo:

1. É importante eliminar o peso e o custo dos indutores.

2. Podemos presumir que o circuito de regulação fornecerá uma redução da ondulação (ripple), portanto, filtros LC não são necessários. Além disso, o regulador compensará uma regulação imperfeita da tensão de saída, tão comuns em sistemas que usam circuitos com capacitor, na entrada.

Outras desvantagens provocadas por um filtro capacitivo é a interrupção da corrente que circula no secundário do transformador (corrente média direta que passa pelo diodo retificador). A corrente é drenada em picos curtos e longos para repor a carga no capacitor durante os períodos em que o diodo está em corte. Isto resulta no aumento do valor eficaz na corrente do secundário do transformador.

Entretanto, o valor médio será o mesmo que usando um indutor, devido a uma tensão de saída maior obtida no capacitor compensa este efeito.

Além disso, com exceção das fontes que fornecem correntes altíssimas, os diodos comuns se adequarão as exigências de corrente inicial e de pico de um filtro capacitivo.

Circuito RetificadorEscolha da configuração do circuito retificador. Os tipos mais comuns em redes monofásicas são:

1. Meia-onda (apenas um diodo)

2. Onda completa com derivação central (dois diodos)

3. Onda completa em ponte (quatro diodos)

4. Dupla complementar com derivação central (dois diodos)

A única vantagem de um retificador de meia-onda é a sua simplicidade e a economia de um diodo. Entretanto, as desvantagens são muitas.

1. Corrente, de pico, extremamente alta durante o período de carga do capacitor (apenas um pico de corrente inicial por ciclo). Esta corrente é limitada pela impedância do enrolamento do transformador e o diodo em série, mas se for muito alta, danificará o diodo. Este pico de corrente inicial, provoca uma corrente eficaz (RMS) alta no enrolamento secundário.

2. Fluxo de corrente contínua no enrolamento secundário do transformador que provoca a saturação do núcleo e consequentemente, a necessidade de um núcleo maior para evitá-

la. Só devemos considerar o uso de um retificador de meia-onda, em fontes de baixíssima potencia, cerca de ½ watt ou menos. Mesmo com uma potência baixa o tamanho do transformador não diminuirá muito e um filtro capacitivo deverá ser grande o suficiente para diminuir as ondulações (ripple).

O outro tipo de retificador é o de onda completa. As corrente inicial de pico ocorre duas vezes por ciclo e possui uma intensidade menor e a onda senoidal retificada, possui uma frequência de 120 Hz, em vez de 60 Hz, no retificador em meia-onda. Usando dois ou quatro diodos, possui a mesma forma de onda na saída.

Outros Fatores

Onda completa com derivação central Onda completa em ponteUsa metade do enrolamento secundário por ciclo Usa todo o enrolamento continuamente

Necessita de derivação central Não necessita de derivação central

Usa dois diodos Usa quatro diodos

Como podemos observar, na tabela, na escolha entre onda completa com derivação central ou em ponte devemos levar em conta o maior benefício entre elas. No retificador de onda completa em ponte, usa-se quatro diodos e os dois diodos extras provocam o dobro da queda de tensão do que no retificador com derivação central, portanto devemos optar pelo uso de retificação de onda completa, com derivação central, em fontes com tensão mais baixa.

O circuito retificador complementar (figura 1) é uma combinação entre dois circuitos de retificação de onda completa com derivação central e é o modo mais eficiente de se obter duas tensões de saída com polaridade invertida compartilhando o mesmo retorno (0V). É, também conhecido como “retificador em ponte com derivação central”.

Figura 1

O diagrama (figura 2), a seguir, mostra um retificador de onda completa com derivação central usando um filtro capacitivo e é uma escolha comum para uso geral. Podemos presumir que:

1. Vreg deve ser 3 Vdc ou maior

2. Vrect é 1,25 Vdc

3. Vripple é 10% da tensão contínua de pico

Figura 2

A fórmula, a seguir, pode ser usada para determinar a tensão secundária do transformador.

Vac = (Vout + Vret + Vreg + Vripple) x Vnom x 1

0,92 Vlow line √2

0,92 = eficiência da retificação (típica)

Vac – Tensão alternada no secundário

Vout – Tensão contínua de saída da fonte

Vret – Queda tensão em cada diodo retificador

Vripple – Tensão de flutuação no capacitor de filtragem

Vnom – Tensão nominal alternada da rede

Vlow line – Tensão alternada mínima da rede

Vnom = relação entre tensão nominal alternada e a tensão mínima fornecida

Vlow line

Nota do tradutor:

A Eletropaulo fornece, na conta de energia elétrica, os valores da tensão nominal, mínima e máxima da sua região. Esta informação está ao lado do histórico de consumo.

Geralmente os valores são:

Nominal Mínimo Máximo

115/230V 108/218V 127/241V

Ilustrando a fórmula, acima, mostraremos um exemplo, a seguir, do que é necessário para uma fonte de alimentação com saída de 5Vdc e uma corrente de 2Adc para funcionar com uma tensão mínima de 95 Vac rms de entrada.

Vout = 5V

Vrect = 1.25

Vreg = 3V

Vripple = 0,5 (1Vp-p)

Somando os valores de Vout, Vrect, Vreg e Vripple, temos 9,75V

Vac = 9,75 x 115 x 1 = 9,07 Vac

0,92 95 √2

Portanto, a tensão do enrolamento secundário deve ser especificada em 18V (9V-0-9V), com derivação central.

Para um retificador em ponte e as mesmas especificações, o valor Vrect passa a ser 2,5V (2x1,25V). Como resultado, os valores serão:

Vac = 11 x 115 x 1 = 10,23 Vac

0,92 95 √2

E, portanto, a tensão enrolamento secundário deve ser 10V.

Cálculo da corrente do enrolamento secundárioO passo seguinte é determinar a corrente eficaz (RMS) do enrolamento secundário. O valor preciso só pode ser determinado através de uma análise complexa, entretanto, para finalidades práticas, a tabela, a seguir, pode ser usada.

Tipo de retificação Tipo do filtro Relação da corrente eficaz necessária

Onda completa com derivação central (*)

Com indutor na entrada 0,7 x Corrente Contínua

Onda completa com derivação central

Com capacitor na entrada 1,2 x Corrente Contínua

Onda completa em ponte (*) Com indutor na entrada Corrente Contínua

Onda completa em ponte Com capacitor na entrada 1,8 x Corrente Contínua

(*) Apesar de não usarmos um indutor no projeto, foi incluso, na tabela, como referência.

Em nosso projeto (5V/2A), o valor eficaz (RMS) da corrente no secundário, deverá ser:

Onda completa com derivação central1,2 x 2 = 2,4A

Onda completa em ponte1,8 x 2 = 3.6A

A especificação da tensão, do secundário, do transformador, então, será:

Onda completa com derivação central18V (9V-0-9V) @ 2,4Arms = 43,2 VA

Onda completa em ponte10V @ 2,4Arms = 36 VA

Fonte complementar duplaOutro exemplo (figura 3) que mostra o cálculo de uma fonte complementar dupla com ± 15V @100ma dc.

Figura 3

Vout = ±15V

Vrect = 1.25

Vreg = 3V

Vripple = 0,75 (~ 1,5 Vp-p)

Vac = (15 + 3 + 1,25 + 0,75) x 115 x 1 = 18,6 Vac 0,92 95 √2

IAC = 1,8 x 100mA = 180mA rms

Portanto, a especificação, do secundário, do transformador, será: 37Vac @180mA rms.

Um cálculo adicional, como precaução, é necessário. O aumento da tensão no capacitor de filtro e no regulador, provocado pelo, consequentemente, aumento da tensão da rede.

Supondo que o valor da tensão aumente para 130Vac, a relação entre Vnom e Vlow line, aumentará.

Na fonte, com saída de 5V, ocorrerá o seguinte:

Vac = 130 x 9 = 12,3V

95

E na fonte dupla complementar:

Vac = 130 x 18,6 = 25,5V

95

O aumento na tensão de saída deve ser absorvido pelo regulador de tensão e consequentemente, ocorre um aumento da dissipação de calor. Os valores calculados são seguros para um regulador de tensão comum, mas é importante, sempre consultar as especificações do componente.

Fatores adicionais a serem considerados na escolha de um transformador

Regulação da cargaFoi presumido, anteriormente, que a variação na tensão de entrada e no secundário, do transformador, não deve ocorrer na corrente da carga. Entretanto, para que isso ocorra o transformador deveria ser ideal e a tensão do secundário sempre a mesma.

Na verdade, todas as tensões foram calculadas, supostamente ,a plena carga. A maioria dos fabricantes de transformadores fazem o mesmo.

Desde que não são ideais e possuem uma impedância interna ou característica de regulação, as variações na carga, causam problemas. Com carga mínima a tensão no secundário aumenta e além disso, devido ao aumento da tensão de entrada provoca uma queda de tensão no enrolamento do transformador.

A maioria dos transformadores com baixa potência (menor do que 10VA), possuem uma regulação de 20% ou mais. Isso significa que um transformador sem carga possuirá uma tensão 20% maiores do que a plena carga. É importante levar em consideração estas características no cálculo da carga mínima e da máxima.

Devido a características inerentes ao projeto de transformadores a “regulação” irá variar inversamente com o seu tamanho ou potência (VA). Em transformadores com maior potência, o tamanho é determinado pelo calor gerado por perdas internas e nos transformadores com menor potência, o tamanho é determinado pela máxima e mínima regulação permitida (com e sem carga). Mesmo sendo uma limitação de projeto importante, nenhum fabricante fornece este dado em catálogo. Entretanto, pagaria para verificar com o fabricante em aplicações de menor qualidade.

Aumento de temperaturaNos transformadores de potência, acima de 25VA, o aumento de temperatura se torna um elemento importante. O transformador pode ser construído com materiais capazes de resistir temperaturas altas e se tornar um projeto viável. Entretanto, o calor gerado pode provocar aquecimento nos componentes que estão próximos.

Devido a isso, as perdas se somam ao calor dissipado pelo circuito. O problema não está relacionado com a temperatura interna do transformador, mas na verdade, com perda de potência elétrica (Watt).

A perda efetiva de potência, também, não é fornecida pelos fabricantes de transformadores, mas

podem ser obtidas através de um pedido ao mesmo. Estas medidas são efetuadas através de cálculos termodinâmicos da temperatura do equipamento.

IsolamentoAlguns tipos de ruído na rede elétrica e transientes serão intensificados através do enrolamento secundário devido à capacitância entre os enrolamentos. Este problema é muito trabalhoso verificar. Este problema é melhor determinado, em um projeto específico, empiricamente, apesar das circunstâncias.

O problema mais comum é usar uma blindagem entre os enrolamentos para reduzir, efetivamente, a capacitância gerada entre os mesmos. Uma abordagem interessante é colocar os enrolamentos lado-a-lado (maior isolamento em alta tensão) ao invés de sobrepostos.

Certos tipos de isolamento não são afetados pelo projeto do transformador e outras abordagens como filtros de linha ou MOV (Metal Oxide Varístor), supressor de transiente, devem ser considerados.

ResumoEsta foi uma tentativa de oferecer um método simples e prático de calcular as especificações de um transformador. Algumas suposições foram feitas e não estão baseadas em análises acadêmicas.

Espero que este passo-a-passo algumas lacunas no projeto de fontes de alimentação. Este material está disponível em livros. A maioria dos catálogos de transformadores carecem de detalhes adicionais, entretanto pedidos de informação ao fabricante ou alguns testes empíricos podem ser necessários para alcançar bons resultados. A indústria de transformadores não possui padrões estabelecidos mas cabe ao projetista um certo ceticismo para lidar com as informações vigentes.

Escolha do capacitor Para níveis de corrente (Iout) abaixo de 1A, a escolha do capacitor é relativamente simples. A capacitância é determinada através da fórmula:

C = IL x 0,06

ΔV

Onde: IL é a corrente contínua de carga

ΔV é a tensão de ondulação pico-a-pico

Frequência de ondulação é de 120 Hz

Usa-se um capacitor de 2000 µF/A para uma ondulação de 3Vpp. Para correntes abaixo de 1A, o aquecimento, normalmente, não é um problema e a ondulação pico-a-pico é determinada pelo tamanho do capacitor.

Para valores maiores de capacitância onde a relação do volume da área de superfície externa do capacitor é significativamente menor e o aquecimento interno se torna um problema.

A relação da corrente de ondulação pode ser determinante na escolha do capacitor em vez da tensão de ondulação. Em muitos casos, o tamanho do capacitor deverá ser aumentado para prevenir aquecimento interno excessivo.

As folhas de especificação dos fabricantes devem ser consultadas (após uma seleção inicial) para assegurar que a relação da corrente de ondulação foi alcançada. Lembre-se de que a relação da corrente eficaz de ondulação (RMS Ripple Current), especificada pelo fabricante, não é a mesma que a corrente contínua de carga (DC Load Current).

A corrente eficaz de ondulação (RMS Ripple Current) em um capacitor de filtro está entre duas e três vezes a corrente de carga. Além disso, o tempo de vida usado para avaliar um capacitor na folha de especificação é, geralmente 10.000 horas.

Para uma vida de cinco anos (40.00 horas), a temperatura ambiente deve ser diminuída em 30°C daquela que está nas especificações do fabricante.

A vida de um capacitor, aproximadamente, duplica diminuindo 15°C na temperatura de operação.

Os cálculos, a seguir, mostram um projeto típico.

Presumindo que IL= 3A, ∆L = 4pp e Vdc = 12V

C = 0,06 x 3 = 4500 µF

4

A especificação do fabricante para um capacitor de 4600 µF/20V @ Ta = 65°C é 3,1 Arms.

Divide-se por 2,5 para converter a corrente eficaz de ondulação (RMS ripple current) para a corrente de saída para 1,24A. Certamente, um capacitor maior é necessário ou a redução da temperatura ambiente.

Como observação final, tenha certeza de verificar se a folha de especificação determina estes parâmetros para ventilação natural ou forçada. A especificação para aplicação em computadores é somente pra ventilação forçada. Lembre-se de que os capacitores são os primeiros responsáveis na falha de uma fonte de alimentação, não permita que seus projetos entrem para as estatísticas.

Escolha do diodoO valor eficaz (RMS) da corrente de carga, no capacitor de filtro, está entre duas e três vezes o valor da corrente de saída porque é fornecida através de pulsos curtos. Presumindo que o uso de retificação de onda completa, seja derivação central ou em ponte, significa que cada diodo conduz apenas metade de cada ciclo, deveria ser especificado para carga máxima.

Para assegurar que o diodo suporte a corrente inicial, quando é energizado, a especificação do mesmo deve ser de pelo menos o dobro da corrente de carga, especialmente para fontes que fornecem altas correntes de saída, devido a valores altos dos capacitores.

Lembre-se que os diodos com terminais axiais dissipam o calor gerado através dos mesmos. Portanto, recomendamos que os mantenha curtos e as trilhas, no circuito impresso, largas.

Para uma fonte com regulador com três terminais, adicionar um diodo entre o terminal de controle e o de saída, previne a destruição do componente caso ocorra um curto-circuito na carga. Entretanto, como a corrente que passa através do diodo, durante o curto-circuito, é alta, consulte a folha de especificação do diodo para ter certeza que ele protegerá o componente.

Nas fontes com tensões de entrada mais elevadas a corrente, durante o curto-circuito, é menor do que a corrente máxima de saída, minimizando o problema.

Traduzido por Francisco dos Santos (fcasantos@yahoo.com) para o Blog do Picco - http://blogdopicco.blogspot.com/