Fontes de alimentação comutadas

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Fontes de alimentação comutadas

  1. 1. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes de Alimentação Comutadas Não concordo com o acordo ortográfico22-09-2012 Por : Luís Timóteo 1
  2. 2. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Os Reguladores Comutados e os Reguladores Lineares, usam técnicas bem diferentes, para produzirem uma voltagem de saída regulada, a partir de uma tensão de entrada não regulada. Cada uma das técnicas tem as suas vantagens e desvantagens, pelo que será a sua aplicação a determinar qual a técnica mais acertada. As Fontes de alimentação Lineares só podem baixar a tensão de entrada para produzir na saída uma voltagem de saída mais baixa. Isto é conseguido com transistores bipolares ou Mosfet’s em série operando em modo linear: quer dizer, a condução de elemento Série, varia proporcionalmente de modo a manter constante a voltagem de saída. Funcionando deste modo, significa que haverá sempre uma queda de tensão (headroom voltage/Vdrop) entre a tensão de entrada e a de saída. Consequentemente o regulador dissipa uma potência considerável, dada pela queda de tensão vezes a corrente da carga. É devido a esta perda de potência que os Reguladores Lineares apresentam Rendimentos na ordem de 36 a 65%. Por exemplo, se um regulador de 5.0 V tem uma entrada de 12 V para uma corrente de carga deIntrodução 100 mA o regulador tem que dissipar 700 mW, para fornecer uma potência útil na carga de 500 mW o que perfaz um Rendimento de 42%, muito baixo portanto. Os custos de dissipação, fazem com que os Reguladores Lineares não sejam economicamente rentáveis para aplicações superiores a 10W. Abaixo dessa potência são contudo viáveis em aplicações de abaixamentos de tensão.. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 2
  3. 3. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Fonte Linear Simples Rendimento Trabalham com a tensão entre a rede (oufáceiso dobro baixo Requerem poucos componentesfonte primaria e a A diferença de frequência da e são com de Não irradiam de esta), pelo que os componentes elemento que tensão de saída é absorvida por um passivos que construir. ruído controla toda a corrente que circula na carga incorporam (bobinas e condensadores) são grandes. Pesadas e volumosas Fonte Comutada ComplexasIntrodução Trabalham a frequências elevadas (dezenas ou O desenho das fontes de alimentaçãocoloca-se um Entre a fonte primária e a carga comutadas é Alto rendimento centenas de KHz), o que permite usar bobinas e complicado, e um tudo no que seNo interruptor interruptor sobre filtro passivo. refere á sua Ruidosas condensadores mais pequenos. regulação. presentes duma vez tensão e corrente. nunca estão Pequenas e manejáveis 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 3
  4. 4. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada As Fontes de Alimentação Comutadas funcionam através da rápida comutação do elemento série do regulador, entre dois estados de funcionamento bastante eficientes: O Corte (cutoff), em que uma alta tensão esta aplicada ao elemento Série mas em que não há circulação de corrente; e a Saturação (saturation), em que há uma alta circulação de corrente através do elemento série mas uma queda de tensão muito pequena. Essencialmente, o semicondutor comutador de potência, gera uma tensão AC a partir de uma entrada DC. Esta tensão AC pode ser elevada (stepped-up) ou reduzida (stepped-down), por meio de transformadores, e depois rectificada e filtrada para DC novamente. As Fontes de Alimentação Comutadas são muito mais eficientes, na ordem de 65 a 95%, do que as Fontes Lineares. Um dos problemas das Fontes Comutadas é o seu desenho e construção, pois é consideravelmente mais complexa. Adicionalmente, a voltagem de saída contém ruídos da comutação que pode ser removida por vários métodos.Introdução Há, no entanto, uma clara diferença entre Reguladores Lineares e Reguladores Comutados; muitas aplicações requerem o uso dos dois tipos de reguladores. Por exemplo, um Regulador Comutado fornece a regulação inicial e depois os reguladores Lineares fornecem a regulação final, aos circuitos mais sensíveis a ruídos como sensores interfaces etc. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 4
  5. 5. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Conversores CC/CC Lineares Cálculo do rendimento VT Iin + - IR IR  Iin + = (VO R) / (Vin in) I I VO   VO / Vin Vin -  O rendimento depende da tensão de entrada.  O conversor (regulador) só pode reduzir a tensão de entrada.22-09-2012 Por : Luís Timóteo 5
  6. 6. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Conversores CC/CC comutados Idea básica + Carga VO Vin PWM - Carga Regulador comutado Regulador linear VO Vin VOut t22-09-2012 Por : Luís Timóteo 6
  7. 7. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Fonte comutada - vantagens  Pequeno tamanho e peso em relação à potência.  Alto rendimento 70 a 97% (os transistores (FET’s) funcionam como comutadores, ou estão no corte ou na saturação, pelo que a potência neles dissipada é baixa).  Dependendo da potência, menor custo (é economicamente indicada para circuitos cujo consumo de energia é superior a 20W).  Sistema de protecção ultra rápido.  Maior interactividade com os circuitos de controlo. Fonte comutada - desvantagens  Componentes críticos (transformadores e integrados de controlo) não são tão usuais e fáceis de encontrar no mercado.  circuitos são mais complexos- projectos mais difíceis.  Difícil manutenção em relação à linear. Introdução Quando ocorrem danos, muitas vezes, o equipamento pode tornar-se não recuperável (se não estiver devidamente protegido). Fonte comutada - Aplicações  Computadores  Maq.Foto Digitais  Televisões LCD, Plasma…  telemóveis  Câmaras de Vídeo  Outros. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 7
  8. 8. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Fonte Linear vs Fonte Comutada Especificação Regulador Linear Regulador Comutado Eficiência 40% a 55% 60 a 95% Regulação de Linha 0,02% - 0,05% 0,05% -0,1% Regulação de Carga 0,02% - 0,1% 0,1% a 1/% Voltagem de Entrada 10% 20% Ripple de Saída 0,5mV – 2mV RMS 10 mV – 10 mV Vp-p Frequência 50/60 Hz (ou dupla) 20 KHz a 1,5 MHzIntrodução EMI Não Severa a alta-frequência Dissipador Sim Não Transientes 50 µs 300 µs 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 8
  9. 9. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Reguladores de tensão Lineares - (LDO’s) Actualmente existem reguladores com técnicas que reduzem consideravelmente a queda de tensão para menos de 1.0V chamados Low DropOut Regulators (LDO) Como consequência aumenta consideravelmente o rendimento permitindo o uso de Reguladores Lineares em aplicações de alta potência Aplicações usando Reguladores Lineares são mais simples e baratas, e requerem poucos componentes externos. Aplicações Lineares são consideravelmente mais “Silenciosas” uma vez que não há ruído de comutação a alta Frequência. Reguladores LDO Combinam baixa Dropout (130-mV) com alta corrente (150-mA) num encapsulamento pequeníssimo (SC-70 Package)Introdução 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 9
  10. 10. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Linear vs Fonte Comutada Em função da fonte de energia e da carga, temos 4 tipos de conversores: Conversores AC/DC Rectificadores Conversores DC/DC Fontes de alimentação Conversores DC/AC Inversores Conversores AC/AC Pouco usados hoje em dia. Tendência para ligar um rectificador e um inversor em cascata.Introdução Fonte AC/DC ( Comutada) - portátil, de baixa potência 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 10
  11. 11. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fonte Comutada Standard, da nova geraçãoIntrodução 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 11
  12. 12. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas Generalidades. Geralmente qualquer Fonte Comutada Standard, é composta por cinco componentes: Um circuito Controlador de Largura de impulsos (PWM Control) Um Transistor Comutador (Switch) O Control de PWM é geralmente feito através de IC, necessário para regular a saída. O transistor “switch” é o Uma Bobine (Inductor) coração da fonte comutada e controla a potência fornecida á carga. MOSFETs são mais usados do que BJTs para Um Condensador (Capacitor) potências na ordem de 50W. Os transístores escolhidos Um Díodo (Diode (Schottkys) devem ser de comutação rápida e suportar os picos de tensão produzidos pelas bobines. A bobine é usada num filtro para reduzir o ripple na corrente.Esta redução ocorre porque a corrente através de uma bobine não pode mudar rapidamente. Quando a corrente numa bobine tende a baixar, a bobine tende a manter essa corrente actuando como fonte. As bobines usadas usam núcleos toroidais, por vezes de ferrite afim de reduzir as perdas em altas frequências. O condensador é usado para filtrar o ripple na voltagem de saída. Deve ser de alta qualidade (Tantalum) e com uma ESR (Effective Series Resistance) baixa.Introdução A função deste díodo não é rectificar, mas sim direccionar o fluxo de corrente de e para a bobine. Deve ser um díodo de comutação e recuperação rápidas (Schottkys). Muitas fonte comutadas necessitam de uma carga mínima, de modo a garantir a circulação de corrente através da bobine.Quando a corrente na bobine não é continua a regulação torna-se deficiente. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 12
  13. 13. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas - Termos usados “Fontes Lineares” são identificadas, basicamente, por ter a tensão de entrada maior que a(s) tensão(ões) de saída. A razão entre essas tensões é que faz a diferença com relação ao rendimento, ou seja, quanto maior a tensão de entrada e menor a de saída, maiores serão as perdas internas na forma de calor que precisarão ser dissipadas; o isolamento entre entrada e saída é normalmente feito através de transformador redutor da linha AC; usam reguladores lineares para controlo da tensão de saída. “Fontes Comutadas” são aquelas que fazem a comutação de um (ou de um arranjo de) condensador e bobine - por isso o nome comutada - para manipular tensão e/ou corrente de saída. A Sua frequência de trabalho pode variar de 25 a 250 KHz ou mais. O termo SMPS “Switch Mode Power Supply” (Fonte de Alimentação Comutada), é usado quando se trata de reguladores ou conversores comutados. O termo “switch mode regulator” (Reguladores comutados), é usado para descrever um circuito de entrada de tensão DC, que fornecer uma tensão de saída DC de valor mais baixo ou mais alto, com a mesma, ou polaridade oposta. Os Reguladores comutados usam uma bobine e não há isolamento entre entrada e saída. O termo “switch mode converter” (Conversores comutados), é usado para descrever um circuito deIntrodução entrada de tensão DC, que fornecer uma tensão de saída DC, simples ou múltipla, de valor mais baixo ou mais alto, com a mesma, ou polaridade oposta. Os Conversores comutados usam um transformador e fornecem isolamento entre entrada e saída. O termo “Inverter” (Inversor), é usado para descrever um circuito de entrada de tensão DC, (normalmente comutado) que fornecer uma tensão de saída AC de valor mais baixo ou mais alto e com uma determinada frequência. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 13
  14. 14. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades  Podem baixar uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC mais e regulada através dum circuito conversor redutor conhecido por “Buck Regulator”.  Podem elevar uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC mais elevada e regulada através dum circuito conversor elevador conhecido por “Boost Regulator”. Podem elevar ou baixar uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC regulada. Podem inverter uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC de polaridade inversa através dum circuito conhecido por “Cuk Regulator”. Podem produzir saídas múltiplas DC directamente daIntrodução Rede AC através dum circuito conhecido por “Flyback Converter”. São também usadas em circuitos de control de velocidade de motores DC e circuitos com Factor de potência unitário. A frequência de comutação inaudível, é superior a 20KHz. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 14
  15. 15. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades Duplicador de tensão: Na actualidade há muitos equipamentos portáteis que devem poder funcionar com a tensão nominal de qualquer país. É denominada “Tensão de funcionamento universal”: 85-265 V Ao haver tanta diferença de tensão entre a mínima e a máxima, os equipamentos podem ter problemas para funcionar. Um circuito possível para solucionar o problema é duplicador de tensão  Com 230 V de entrada, o interruptor está aberto.Introdução 230 V C1  E funcionamento é igual que um rectificador 110 V de onda completa normal.  O condensador equivalente que verá a Rede C2 será C/2 (2 em série) 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 15
  16. 16. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades Duplicador de tensão: D3 Quando a tensão de entrada é de 110 V, 110 V C1 110 V fecha-se o interruptor (Nas fontes mais antigas). 110 V D3 e D4 ficam cortados porque estão D4 C2 em paralelo com os condensadores. semiciclo positivo semiciclo negativo C1 C1 V0 V0Introdução C2 VC1 = Vin V =V  No total, a tensão na carga é a soma das tensões dosC2 in condensadores: V0 = 2·Vin (2·110 V = 220 V). 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 16
  17. 17. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC – Porquê?Introdução 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 17
  18. 18. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC É a relação entre a Potência Activa (P) (que produz trabalho) e a Potência Aparente (S) (Total; a que é medida e paga). Também chamado de cos Fi, é representado pelo coseno do ângulo formado pelos vectores das Potências Activa e Aparente. É um número compreendido entre 0 e 1, podendo ser positivo (Factor de Potência Indutivo) ou negativo (Factor de PotênciaIntrodução Capacitivo). 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 18
  19. 19. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC O QUE É PFC? (Power Factor Correction) Leis e restrições Europeias em vigor desde 1992, impõem que todas as fontes de alimentação de potência superior a 200VA s, tenham um Control Activo do Factor de Potência. E é disso que iremos falar!... Todos os sinais sinusoidais AC rectificados, e filtrados com filtros capacitivos, debitam da rede AC, picos de corrente de grande amplitude Geralmente, o valor do pico da corrente é na ordem de seis (6) vezes mais, que o necessário, para a mesma potência, se a carga fosse resistiva. A Rectificação Convencional AC, é pois, um processo pouco eficiente, da qual resultam altos custos de electricidade, e distorção naIntrodução voltagem da linha AC, produzindo também um largo spectrum de harmónicas, que poderão interferir noutros equipamentos se o Factor de Potência se degradar até cerca de 0.45… 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 19
  20. 20. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC Essencialmente, o Factor de Potência, é uma medida, do modo, mais ou menos eficiente, de como a energia eléctrica está a ser usada.Um maior Factor de Potência representa maior eficiência no uso da energia eléctrica. “Power Factor Correction” numa SMPS, controla o “timing” e a forma de onda da corrente de entrada, de forma a mantê-la em fase e da mesma forma de onda, da voltagem fornecida pela linha AC, resultando num Factor de Potência perto de 1.0. Isto tem importância em equipamentos electrónicos que consumam uma quantidade apreciável de energia eléctrica, onde os sistemas geradores poderiam ultrapassar os seusIntrodução limites de corrente afectando assim outros equipamentos do mesmo sistema.Um equipamento electrónico normal, sem PCF tem um Factor de Potência de somente cerca de 50% (0,5). 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 20
  21. 21. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC A Topologia mais usada em PCF é a “Boost” (elevador) mostrada na figura, independentemente do tipo de controlo ser em Modo Contínuo (CCM) ou descontínuo (DCM), que normalmente é seguido de outra topologia com isolamento galvânico de saídas múltiplas. O que é Eficiência, numa Fonte de Alimentação ?( ) DC (bus) É a razão entre a Potência de Entrada e a Potência de Saída expressa em percentagem. C (bus)  = Pout x100% PinIntrodução As perdas ou Potência Dissipada serão: 1 Pd= Pin – Pout = Pout  1 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 21
  22. 22. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC A Topologia PFC Activa “Boost “ tem várias vantagens: Elevado Factor de Potência - Forma sinusoidal da corrente de entrada – Reduz o valor eficaz da corrente debitada. Entrada universal da Tensão de alimentação (85 a 265 V, 50 ou 60 Hz, por exemplo). Tensão DC (bus) regulada (tipicamente 380 a 400 VDC). Melhor eficiência no uso de C (bus) devido a #3.  O principio básico do PFC “boost”, é bastante simples: o ciclo activo (duty-cycle) do Comutador (switch), é controlado de forma que a bobine debita uma corrente sinusoidal, da linha AC.  Quando o Comutador está “on” a corrente na bobine aumentará (acumula energia).  Quando o Comutador está “off” a corrente na bobine diminui á medida que a energia é transferida para o condensador. O Circuito de Controlo tem várias funções:Introdução 1. Fazer com que a corrente de entrada AC seja sinusoidal. 2. Controlar a magnitude da corrente para manter a regulação na Voltagem DC de saída. 3. Limitar o nível de corrente a um máximo seguro. 4. Prevenir sobrecargas de tensão no condensador de saída. 5. Controlar regulação de Rede, regulação de carga e outras situações. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 22
  23. 23. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades “Power Factor Correction” PFC O que é PFC Activo / Passivo? PFC passivo (filtro LC), usando bobine, circuitos de condensadores para reduzir a corrente das harmónicas, de frequência de 50/60Hz da rede AC, requer bobines e condensadores muito elevados, mesmo assim o máximo de Factor de Potência/Rendimento seria na ordem de 75 a 80%. O PFC Activo, usando componentes activos (circuito de controlo e comutadores de potência “on” “off” de nível médio sinusoidal), cujo funcionamento teórico fundamental é ajustar a forma de onda da corrente á da tensão, da entrada AC.Introdução Com este método, pede-se alcançar valores de Rendimento/Factor de potência próximo ou igual a 100%. 23 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 23
  24. 24. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades Exemplo “Alimentação AC universal”: 85 - 265 V Quais as vantagens da “Tensão de funcionamento Universal”? Elimina o selector manual de voltagem. Elimina erros potencialmente perigosos. Acaba com as preocupações de selecção da voltagem de Alimentação AC onde quer que se esteja. Quais as diferenças entre Selecção Manual, Selecção Automática, e Alimentação AC Universal? Selecção Manual: 100V-120V ou 200V-240V. Selecção Automática (Auto Sensing): 100V-120V e 200V-240V Universal: 85 -265V AC (em toda a gama de Voltagens)Introdução 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 24
  25. 25. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades Vantagens do PFC Activo (Comutado): Grande poder de eliminação de Harmónicas, usando bobines com ferrite para altas frequências (25 a 250KHz ou mais). Oportunidade para futuras reduções de custo á medida que evoluem e aumentam a produção e aperfeiçoamento de IC´s de controlo. Uma solução mais "profissional" do que o PFC Passivo. Universalidade das tensões de funcionamento reduz os custos. Factor de potência próximo de 1 reduz custos de exploração e ambientais. Desvantagens do PFC Passivo (LC):  A produção em massa de bobines deve ser de muita qualidade, devido aos baixos limites estabelecidos para emissão de harmónicas.  O peso, que pode criar problemas de transporte (Vibração & shock),Introdução  Possível escassez de ferro laminado usado nas bobines de baixas frequências (da rede).  Vibrações e ruídos se não fixado correctamente.  Fraca competitividade (custo/performance) para potências até ou superiores a 300W. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 25
  26. 26. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades PFC – Equipamentos ElectrónicosIntrodução 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 26
  27. 27. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Fontes Comutadas: Generalidades PFC – Áreas Industriais  Primeira geração: Manual  Inserção de Condensadores e Bobines  Segunda geração: Tiristores  TCR e TSC  Terceira geração: Transístor STATCOM  GTO, UPFC, IGBTIntrodução • Sistema automático de correção do fator de potência feito por controlador lógico programável. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 27
  28. 28. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Corrente (A) 1 2 Tensão (V) SW IR R 3 Vi C R t Q Q Vi C C=  V= V C Q = I.t Vi Onde: 1 0  C = Capacidade (Farads) Vi Onde: 2  Q = Carga (Coulombs) 0Introdução  I = Corrente (Amperes) Vi/R V = Voltagem (Volts) IR 37.2% do valor final  t = Tempo (Segundos) Vi 0 Conclusão: A Voltagem de carga de um t=0 62,8% do valor final condensador não pode  3 t= variar instantaneamente. 0 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 28
  29. 29. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Vi 1 SW 0 1 2 Vi 2 IR R 0 Vi 3 Vi/R 62,8% do valor final L IR 0 V t=0 t=   = em tempo =  = LR Constante L/R L= 3 dI/dt= (Variação de corrente no tempo) 37.2% do valor final R 0 Corrente (A) Tensão (V) Vi L Onde:  L = Indutância (Henries)  I = Corrente (Amperes)Introdução t = Tempo (Segundos) dI/dt= I/t, se I constante: t dI V = L dt 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 29
  30. 30. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos VF Diodos: V IFuga A função principal de um diodo é rectificar, (conduzir + corrente num único sentido). VBreakdown V I - 1 Ninguém é perfeito: IR R 2 VB Quando polarizado directamente, tem uma pequena CR queda de tensão entre 0,3 e 1,2V, dependendo do material do diodo e da corrente. Quando polarizado inversamente tem uma pequena 1 0Introdução corrente inversa na ordem de nA’s (silício) ou alguns mA’s (tipo Schottky). 2 0 VF Os FET’s são muitas vezes usados em sua substituição, para tensões de polarização mais baixas. IR 0 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 30
  31. 31. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos FET’s:  Field Effect Transistor (FET) Drain Transístor de Efeito de Campo Gate Source  A função primária do FET é Amplificar.  Em modo linear (como amplificador linear) a saída é F uma réplica invertida da entrada. Saída amplificada e invertida  Em modo de comutação (operando como comutador) a saída ou é corte ou saturação.  Ninguém é perfeito:  Quanto está no corte há uma pequena corrente de fuga.Introdução  Quando está na saturação tem um pequena resistência. F  Independentemente da maneira como seja alimentado, os Saída vai do Corte á Saturação tempos “ON” ou “OFF”, não são zero.  Há um capacidade entre um terminal e os outros, que se deve carregar e descarregar cada vez que o FET comuta. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 31
  32. 32. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Fotoacoplador/Optoisolador 1 6  2 5 3 4  Faz o acoplamento do sinal através de uma barreira isoladora. A corrente através do diodo faz com que ele emita luz , e através dela activa o transístor,Introdução pondo-o em condução.  Os optoacopladores fornecem um elevado grau de isolamento eléctrico entre a alimentação da rede e os circuitos de saída.  A maioria suporta picos de tensão na ordem de 7500V…. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 32
  33. 33. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Fundamentos básicos  Regra da Mão direita I B B I Introdução  De acordo com a lei de Ampere, a circulação de corrente causa um campo magnético, cuja direcção é fácil de determinar de acordo com a regra da mão direita. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 33
  34. 34. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Fundamentos básicos Transformador (sem armazenamento de energia) IN  A soma dos ampere/Volta de todas as espiras do enrolamento é zero no final de cada ciclo.   A regra da mão direita aplica-se á corrente OUT aplicada e ao fluxo resultante.Introdução  O oposto acontece no enrolamento do secundário não inversor. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 34
  35. 35. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Fundamentos básicos Transformador (com armazenamento de energia)  Este é um transformador +15 convencional de um conversor Voltagem 0 i pri. “Flyback”. In -5 Corrente (ipr.)  A energia é transferida para o núcleo magnético durante os  impulsos positivos aplicados ao +5 Voltagem 0 primário. Iisec. OUT -15 Corrente (isec.)  A energia é transferida para aIntrodução 4.5 0 carga durante a restante parte do ciclo.  A soma dos ampere/Volta de todas as espiras do enrolamento, continua a ser zero no final de cada ciclo. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 35
  36. 36. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos Fundamentos básicos Elementos Básicos dos circuitos de Comutação + Fonte - Carga Drain GateIntrodução Source Toolkit  Pelo simples arranjo destes três componentes (Switch, bobine e diodo), se podem esquematizar as três topologias mais comuns de reguladores de fontes comutadas. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 36
  37. 37. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Metodologias de Conversão: Existem essencialmente dois métodos de conversão. O primeiro é o modo “Directo” (Forward-Mode) que se identifica pelo circuito LC ligado directamente á carga depois do elemento Modo Directo T(on) comutador (T), e o segundo o Indirecto (Flyback- Mode)com os mesmos elementos mas em diferente posição, tendo cada um dos métodos as suas vantagens e inconvenientes. Modo Directo T(off) Há ainda um método que aplica tensão á carga durante ambos os intervalos de tempo, sendo a combinação dos dois métodos anteriores. O primeiro método (Directo), aplica a tensão á carga quando o comutador (T) está “ON” Modo IndirectoIntrodução T(ON) O segundo método (Indirecto) L armazena tensão (energia) durante o tempo em que o comutador (T) está “ON” sendo C a fornecer a carga, e aplica-a á carga e a C quando o comutador está “OFF” Modo Indirecto T(OFF) 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 37
  38. 38. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Metodologias de Conversão: Características de transferência do Modo Directo (Forward-Mode): Modo Directo T(off) Tensão de saída com baixo Ripple. VIN “ON” “ON” “ON” Vout Corrente em Modo contínuo na saída. “OFF” “OFF” Corrente pulsante na entrada. T D = “Duty-Cycle). ton  Usado em aplicações de média e alta potência. Características do Método Indirecto (Flyback-Mode). Tensão de saída com Ripple elevado. Corrente em Modo contínuo na entrada. Corrente pulsante na saída.Introdução Modo Indirecto T(OFF) Os picos de corrente têm praticamente o dobro da amplitude das tipologias do modo directo pelo que é usado em aplicações baixa e média potência (100 – 150W). A Escolha do método terá sempre que ser ponderada conforme as circunstâncias, tendo em conta as vantagens e desvantagens de cada um. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 38
  39. 39. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Modos de Operação: Existem essencialmente dois modos de operação. O modo Contínuo e o modo Descontínuo.  No modo Contínuo, a corrente através da Bobine do filtro nunca chega a zero. Sendo a tensão de saída a média dos impulsos de tensão gerados pela bobine.  No modo descontínuo a corrente através da bobine é deliberadamente levada a zero, “secagem” (dry out), sendo o condensador a fornecer a tensão á carga durante parte do “duty cycle” (ciclo de trabalho), originando problemas de modelação da média da tensão de saída. Tem no entanto algumas vantagens para certas aplicações. Há ainda um modo engenhoso, mas complexo que é a combinação do dois MODO DESCONTÍNUO MODO CONTÍNUO modos. T= t(on) + t(off)Introdução Buck Regulator 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 39
  40. 40. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Métodos de Controlo Existem essencialmente dois métodos de Control. O método de Voltagem e o método de Corrente ambos variando a largura do impulso de control (PWM) (Pulse width modulation) ou “Duty cycle”. O método de Voltagem: consiste na variação da largura do impulso de control em resposta a e erros de nível de tensão na saída. Muito simples, tem no entanto o inconveniente da fonte não estar protegida de curto-circuitos na saída. O método de corrente: consiste na variação da largura do impulso de control (Duty Cycle) em resposta a erros de nível de tensão na saída e da corrente de saída sendo esta limitada em condições de curto circuito.Introdução Control Variando Vc, varia-se o ciclo de funcionamento D. Vc 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 40
  41. 41. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Métodos de Controlo (PWM) (Pulse width modulation) ou “Duty cycle” control.  Exemplo de circuitoIntrodução Modulação por variação da largura de impulsos. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 41
  42. 42. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas  Métodos de Controlo Controlos de tensão e controlo de corrente. VREF Modo de Tensão Ampl. Andar de Potência VCorreção de Erro Circuito Comparador de Controlo PWM Amostragem de Tensão VREF Modo de Corrente VCorreção (Iref) Andar de Potência Ampl. de Erro Circuito Comparador de e LatchIntrodução Controlo Amostragem de corrente Amostragem de Tensão 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 42
  43. 43. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Conversor AC-DC “OFF-LINE” Converter uma tensão AC (110/220), numa ou várias tensões de saída DC, controladas ao nível de voltagem e corrente desejados, com isolamento galvânico. Inversor de Alta Frequência 85-260 VAC 85-260 VAC Rectificação de Rectificação de Entrada e filtragem saída e filtragem Filtro de Entrada e Circuito PFCA  Rectificação directa da Rede AC (ausência de Transformador).  Alta frequência possibilita L’s e C’s deIntrodução menores dimensões.  Circuito de Controlo Dissipação de potência nos transistores de comutação praticamente nula (Corte/saturação).  Regulação de saída efectiva consoante a carga com modulação PWM. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 43
  44. 44. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Conversor DC-DC “ON-LINE” Converter uma tensão DC, numa tensão de saída DC controlada, ao nível de voltagem e corrente desejados, sem isolamento galvânico entre a entrada e saída . Inversor de Alta Frequência110/240 AC 110/240 AC Rectificação de Transformador/Rectificador e filtragem saída e filtragem Filtro de Entrada EMI/Circuito PFCp ou PFC Activo  A tensão DC (depois de passar pelo transformador e Rectificador) é então aplicada ao conversor/Regulador.Introdução  Alta frequência possibilita L’s e C’s de menores Circuito de Controlo dimensões.  Dissipação de potência nos transistores de comutação praticamente nula (Corte/saturação).  Regulação de saída efectiva consoante a carga com modulação PWM. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 44
  45. 45. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fonte Universal Input Filter Rectifier PFC L + Bus G PFC Control + Bus N Return Xfmr Output Circuits Power Stage 12 V, 3A + Bus 5 V, 10AIntrodução PWM Control 3,3 V, 5A + Bus Return Mag Amp Reset 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 45
  46. 46. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Fontes de Alimentação Topologias BásicasFontes Comutadas Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 46
  47. 47. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Topologias Básicas Sem transformador Com transformador Buck Boost Forward Flyback (Modo Directo) (Modo Indirecto) (Modo Directo) (Modo Indirecto) Buck Boost CUK SEPIC ZETA Half-Bridge Full-Bridge Push-Pull Modo Directo Modo IndirectoFontes Comutadas (Forward) (Flyback) Isolamento Forward Galvânico Buck-Boost Half-Bridge Full-Bridge Push-Pull Flyback 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 47
  48. 48. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Topologias Básicas A Zona “A”, delimitada por Vout 50V/50W é uma zona simples, 1000 de conversores sem isolamento 700 galvânico, com o mínimo de 500 componentes e complexidade tendo como desvantagem a 200 elevada corrente dos 100 transístores de potência. 50 A Zona “B”, é a mais comum, 20 sendo de um conversor, de modo Indirecto, com 10 isolamento galvânico e um 5 componente magnético, 2 chamado “Flyback”. Sendo oFontes Comutadas mais económico, faz com que 1 5K 10K Pout seja preferidos para baixa 2 5 10 20 50 100 200 500 1K 2K A Zona “C”, é uma zona onde se misturam os conversores potência e baixa tensão e com de modo Indirecto (Flyback) e de modo Directo (Forward) saídas múltiplas. com um só transistor. Para um pouco mais de potência, entramos na Zona “D”, onde o conversor (Forward) é o mais usado. Para aplicações de maior potência Zona “E”, é vantajoso dividir a potência a comutar no primário entre vários transístores e encontramos tipologias tipo “Push- Pull”(Full-Bride, Half-Bridge e Push-Pull) 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 48
  49. 49. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Topologias Básicas Reguladores Boost Regulator (Elevador) Io Iin Iin Buck Regulator(Redutor) I o t(on) D= T T= t(on) + t(off) Vo= D *Vin 1 Vo= *Vin 1- D Buck-Boost Regulator (Inversor) (Redutor/Elevador Iin Io ) CUK Regulator (Inversor)Fontes Comutadas 1 D Vo= - * Vin Vo= - 1- D * Vin 1- D SEPIC Regulator Zeta Regulator IL1 IL2 (Single-Ended Primary Inductance 1 V Converter) 1 Vo= * * Vin in 1- D Vo= 1- D 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 49
  50. 50. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Topologias Básicas Flyback converter Icarga Conversores Forward converter IN1 IL1 IN1 VQ1 N2 D N2 Vo= V V N1*1-D * in Vo= N1 * in * D Two Transistors Forward Converter Push-Pull converter N2 D V NFontes Comutadas Vo= N1 * * in Vo= 2Vin * 2 * D N1 Half-Bridge converter Full-Bridge converter N2 D Vo= Vin * * N2 D N1 Vo= 2Vin * * N1 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 50
  51. 51. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck” Iin Buck regulator Io (Redutor - Modo Directo) T= t(on) + t(off) Quando o transistor T esta “ON”, a voltagem de entrada Vi, é ligada á bobine L. A diferença de tensão entre a a entrada e a saída é então aplicada aos terminais da bobine forçando a corrente i a fluir através da bobine. Durante o tempo em que T está “ON” a corrente da bobine é aplicada á carga e ao condensador C (queFontes Comutadas carrega durante este tempo); o diodo D está inversamente polarizado e não conduz. Quando o transistor T vai a “OFF”, a voltagem que estava aplicada á bobine L, é removida. Porém, a corrente i que circula pela bobine , não pode mudar instantaneamente, logo, a voltagem aos seus terminais ajustar-se-á de modo a manter a corrente constante. A Bobine L contra reage, inverte a polaridade o diodo D fica polarizado directamente e descarga sobre a carga, sucedendo o mesmo com o condensador C. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 51
  52. 52. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck” Iin Buck Regulator(Redutor) Io  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) t(on) Características: D= T T= t(on) + t(off)  Tem uma alta eficiência. Voltagem de Saída inferior á de Entrada. Vo= D *Vin Cria uma quantidade de ruído relativamente grande na linha de entrada. Na saída do circuito o ruído que se detecta é muito baixo. Equações: Vin  Vout  D.T  out 1  D .T V Vin  Vout .D  Vout 1  D   Vout  Vin  D onde D  ton V ou D  out L L T VinFontes Comutadas 1 T  ton  toff f  1 1  D  T   1 ILmin  Vin  D   1  D  T  ILmax  Vin  D      Rout 2L   Rout 2L  1  D  Rout T 2 Vout Lmin  2f ΔVout   1  D  8.C L 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 52
  53. 53. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Iin Buck Regulator(Redutor) I Formas de Onda: o CCM t(on) D= T T= t(on) + t(off) Vo= D *Vin iQ1 = iLFontes Comutadas Durante DxT Durante (1-D)xT DCM 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 53
  54. 54. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Balanceamento: Tensões máximas: VQmax  VDmax  Vi Balanço de Potências: iQ  I o  Vo iQ  I o  D Vi Corrente média no diodo: iD  iL  iQ iD  I o  1  D Fontes Comutadas Balanço de Tensões: Vi  Vo  D  T  Vo  1  D  T  0 Vo  Vi  D Balanço de Correntes: Vo iL  I o  (corrente média nula no condensador) R 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 54
  55. 55. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes discretos.Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 55
  56. 56. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes discretos. Formas de Onda:Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 56
  57. 57. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Regulador Comutado “Buck” +9V, com componentes discretos.Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 57
  58. 58. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Regulador Comutado “Buck” +9V, com componentes discretos. Formas de Onda:Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 58
  59. 59. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes integrados (TL494).Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 59
  60. 60. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck”  Regulador Redutor “Buck” (Step-down) Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes integrados (TL494). Formas de Onda:Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 60
  61. 61. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Buck” O buck ou step-down converter (Regulador redutor) é o exemplo mais simples do Modo Directo (Forward-Mode).O Regulador “buck” pode fornecer potências até 1 KW, mas é tipicamente usado em aplicações de regulação “on Board”, cujas potências não ultrapassam os 100W. É muito usado para converter distribuições de 12V para 5V TTL, mas também de 24V para 15, 12, ou mesmo 5V para alimentar circuito electrónicos, sem grande perda de potência.Fontes Comutadas Comparado com o Conversor “Flyback” ou “Boost”, (Modo Indirecto) o Regulador “Buck” exibe uma voltagem de ripple de saída com menor valor pico-a-pico. A grande desvantagem é que é uma topologia somente redutora e sem isolamento. Por questões de segurança os conversores sem isolamento galvânico não podem ser usados para voltagens de entrada superiores a 42,5 VDC. Vout  Vin Protecção contra curto circuito ou Overvoltage na ausência de carga, com simplicidade. VGS deve flutuar. Uso: substituir reguladores de voltagem analógicos. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 61
  62. 62. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador “Boost” (Step-up) Iin Boost RegulatorIo T Vo= Vin T- t(on) O Regulador Boost, Também conhecido por conversor elevador, caracteriza-se por ter uma tensão de saída sempre mais elevada que a de entrada e tem praticamente os mesmos elementos que o Regulador “Buck”, mas numa posição diferente. O modo Indirecto está aqui presente, uma vez que não há uma transferência directa de potência da entrada para aFontes Comutadas saída. Tratando-se de um regulador/conversor elevador, a sua aplicação inicial era gerar 25V a partir de uma fonte de 5V dos programadores de EPROM’s. Durante o tempo em que T está “ON” a tensão de entrada é ligada á massa através da bobine L, e esta armazena energia, enquanto que carga é alimentada pelo condensador C; o diodo D está inversamente polarizado. (que carrega durante este tempo); o diodo D está inversamente polarizado e não conduz. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 62
  63. 63. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador “Boost” (Step-up) Iin Boost Regulator Io Quando o transistor T vai a “OFF”, a bobine L contrareage á mudança de corrente, inverte a polaridade (o diodo D conduz, que só por si impõe VoVi) e descarrega a energia acumulada sobre a Vo= Vin T T- t(on) carga e sobre o condensador C que vai carregar a uma tensão superior, visto não estar completamente descarregado e a bobine gerar tensão mais alta... Como a constante em tempo RC é  que o Duty- Cycle D da comutação, a voltagem na saída permanece  constante.Fontes Comutadas t(on) 1 Vout  Vin D= T= T f O valor de D é (0 < D < 1)o que mostra que a voltagem de saída é maior que a voltagem de entrada Vin e é por que este conversor é elevador. Vo tem o seu valor mínimo quando D = 0 em que Vo = Vi. Quando D se aproxima de 1, a voltagem de saída tende para infinito. Usualmente o valor de D é tal que 0.1 < D < 0.9 . 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 63
  64. 64. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador “Boost” (Step-up) Formas de Onda: CCM Iin Boost Regulator Io T Vo= Vin T- t(on) i =i i = iDFontes Comutadas L Q1 L Vi i Durante DxT Durante (1-D)xT 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 64
  65. 65. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador “Boost” (Step-up)  Balanceamento: Sempre: Vo Vi Vo  Vi 1  D  Tensões máximas: VQmax  VDmax  Vo Balanço de Tensões: Vi  D  T  Vi  Vo  1  D  T  0Fontes Comutadas Balanço de Correntes: Corrente média no Diodo: iQ  I o  Vo iQ  I o  D iD  iL  iQ iD  I o  1  D  Vi (corrente média nula no condensador) Vo iL  I o  R 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 65
  66. 66. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador Modo Indirecto “Boost” (Step-up) O IC MAX921 é o controlador do switch Q. Consumo de potência na ordem dos microwatts. este 5V-para-15V boost converter, fornece correntes baixas com alta eficiência ( 90%). O ripple da voltagem de saída para cargas pequenas dependes das histereses do comparador. Com R3 = 2.4M, as histereses em millivolts iguala o valor de R2 em kilohms. O ripple em millivolts é igual a VREF(1 + R4/R5)(R2), onde R2 em kilohms.Fontes Comutadas Para este circuito, o ripple é: = 1.182V(1 + 18/1.5)(1) = 15.4mV. VOUT = VREF(1 + R4/R5) Vantagem do Boost: Simplicidade, elevador, bom rendimento; sem problemas de magnetização. Desvantagem do Boost: Voltagem inversa do comutador Vo »Vi; não tem isolamento galvânico entre a Entrada e a Saída; a Saída é a carga média do C de Saída. 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 66
  67. 67. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador Modo Indirecto “Boost” (Step-up) Características Vout  Vin Não é á prova de curto circuito. Não é á prova de ausência de carga. Uso: Equipamentos alimentados a pilhas/Baterias, como palmtops, telemóveis, flash de câmaras digitais…Fontes Comutadas Topologias: BOOST, SEPIC, e FLYBACK, MSOP-8 e 3mm x 3mm MLF™-10L 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 67
  68. 68. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas Regulador “Boost”  Regulador Elevador Modo Indirecto “Boost” (Step-up)Fontes Comutadas 22-09-2012 Por : Luís Timóteo 68

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