Fontes de Alimentação

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Fontes de Alimentação

  1. 1. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação Lineares Não concordo com o acordo ortográfico09-09-2012 Por : Luís Timóteo 1
  2. 2. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares  TEMA : FONTES DE ALIMENTAÇÃO ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS OBJECTIVOS  Justificar a necessidade de fontes de CC.  Oferecer soluções para implementa-las.  Identificar as mais adequadas para cada caso.Introdução  Estudar os blocos que as compõem.  Conseguir que o aluno chegue a desenha-las. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 2
  3. 3. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Campos da Electrónica Sistemas inteligentes Controlo de processos Electrónica Digital Tratamento de dados Comunicações Sistemas de áudio Sistemas de medida Electrónica Analógica Está sendo substituída pela E. Digital Sensores Instrumentação Electrónica Captação de dadosIntrodução Tratamento dos sinais dos sensores Transmissão de dados Optoelectrónica Captura de informação 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 3
  4. 4. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Como se alimentam todos estes circuitos? TODOS os circuitos electrónicos requerem una tensão de alimentação específica. Em geral, os circuitos são alimentados com uma tensão contínua. Em função da aplicação, a tensão de alimentação necessária pode variar entre 1V e 100V. A energia gasta pelos circuitos, pode ser obtida a partir de diversas fontes Primárias:  A rede eléctrica  Uma bateria  Um painel solar  Um gerador eólico  Um gerador eléctrico (p.ex. movido a gasolina)Introdução Em geral, a energia que se obtém duma fonte não pode ser usada directamente pelo equipamento que se quer alimentar. É necessário transformar a energia eléctrica 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 4
  5. 5. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Como se transforma a energia eléctrica? Utilizando circuitos específicos cuja missão é precisamente tomar a energia da fonte e transforma-la de forma adequada para que possa ser usada pela carga. Este tipo de circuitos chamam-se de REGULADORES ou CONVERSORES As fontes de energia podem-se dividir em duas categorias: • Tensão alterna: rede eléctrica, aerogeradores, geradores etc. • Tensão contínua: baterias, painéis solares, pilhas… As cargas também se podem dividir em duas categorias: • De tensão contínua: circuitos electrónicos em geral.Introdução • De tensão alterna: motores em geral. FONTE DE ENERGIA CONVERSOR ELECTRÓNICO CARGA DC ou AC DC ou AC 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 5
  6. 6. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Tipos de conversores 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 A parte da Electrónica que estuda este tipo de circuitos chama-se… ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Neste curso vamos centrar-nos nas FONTES DE ALIMENTAÇÃO 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 6
  7. 7. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Conceitos Especificações da Nível de potência do fonte de energia sistema O conversor deve ser o mais simples e pequeno possível Especificações de (tamanho, custo) alimentação Para funcionar, o conversor gasta uma certa quantidade de energia. Deve ser a menor PoutIntrodução possível. Rendimento η  100 % Pin Pelo efeito de dissipar potência, os equipamentos vão aquecer. Pin Conversor Pout É necessário expelir o calor!... Perdas Pin > Pout 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 7
  8. 8. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Níveis de potência Conforme o tipo de aplicação, a potência que o conversor/regulador deve debitar, pode variar entre valores de ordem de mW até valores da ordem de MW. Um sensor ou um implante electrónico no corpo humano podem necessitar de potências da ordem de 10mW. Sistema de coração artificial AbioCor Coração artificial Sistema de transferência de energia transcutaneo Pack exterior de baterias Bateria interna Unidade de recarregável Control InternaIntrodução Os níveis de corrente são muito baixos. Devem funcionar a tensões baixas para que não incomodem o paciente. Não podem aquecer. Devem ser de tamanho muito pequeno. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 8
  9. 9. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Níveis de potência (Cont.) Os equipamentos electrónicos domésticos consomem potências na ordem de 50 - 300 W. Os maiores podem consumir até 2kW. Conforme a potência RMS do amplificador: Entre 100-200W TV 25” - 60 W Até 300 WIntrodução TV plasma 50”: 600 W 200 – 300W Entre 1 e 2kW 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 9
  10. 10. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Níveis de potência (Cont.) Os equipamentos industriais profissionais e os usados em instalações de edifícios podem consumir potências da ordem de kW’s.  Carregadores de baterias Perfuradores industriais Centrais telefónicas Motores de tamanho pequeno e medianoIntrodução Conversor para motores Centrais de comutação Alimentação Telecom 50 kW 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 10
  11. 11. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Níveis de potência (Cont.) Em aplicações de Tracção e Geradores, as potências podem chegar a alcançar potências da ordens de MW. Potência: 1 MW Tensão de alimentação: 1500 V, 600 Hz Potência: 2,4 MW Tensão de alimentação: 3000 V, 600 HzIntrodução 500 kW – 2 MW 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 11
  12. 12. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Electricidade no Mundo: A Nível de Tensão/FreqIntrodução 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 12
  13. 13. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Electricidade no Mundo: A Nível de TomadasIntrodução 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 13
  14. 14. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Electricidade no Mundo: Tomadas A: Esta ficha, tem duas lâminas paralelas flexíveis. É usada na América do Norte B: Esta ficha, tem duas lâminas paralelas flexíveis e um terceiro (Estados Unidos) e em muitos outros pino (de Terra). É usada nos países incluindo Canadá, México, mesmos países que a ficha A. Guatemala, Jamaica e Venezuela. C: Esta ficha (com terra), constitui D: o antigo modelo Standard Inglês e é praticamente usada na Esta ficha (sem terra) é constituída por Índia e África do Sul. É dois pinos redondos. É usada constituída por três pinos especialmente nos países da Europa longos e redondos, dispostos Continental e Sul da África. de forma triangular E: Ficha E é similar á C excepto na forma F: Ficha F é similar á C e E excepto na forma redonda tendo redonda e tem adicionalmente um contacto dois contacto na vertical (terra). fêmea para receber o pino de terra.É usada É conhecida com ficha tipo especialmente na França e na Bélgica. "Schuko“ e é usada em muitos países europeus como Alemanha, Espanha, Portugal, G: Esta ficha tem duas laminas paralelas Áustria, Suécia, Holanda e Noruega. horizontais e uma rectangular na vertical (terra) sendo o conjunto em forma H: Inicialmente usada na Austrália, esta ficha tem duas lâminas,Introdução triangular. É usada especialmente na como a ficha A mas em forma de Inglaterra. V. Ultimamente mudaram para I: Esta é a versão com terra da ficha J: laminas paralelas como a ficha A. Esta ficha é similar á I, mas Australiana, tem duas lâminas idênticas ás da não é compatível usada ficha B mas em forma de V. Ultimamente as exclusivamente em Israel e laminas passaram a ser paralelas como na Gaza. ficha B. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 14
  15. 15. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Electricidade no Mundo: Tomadas K: L: Ficha L é similar á C A ficha K é similar á C excepto na forma redonda e um pino excepto no pino adicional adicional que é a terra. É usada central (terra). É usada especialmente na Dinamarca especialmente em Suiça. M: Ficha M é similar á C excepto no pino adicional central (terra). É usada especialmente em Itália. Felizmente existem Adapter’s:Introdução 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 15
  16. 16. Introdução Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 16
  17. 17. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação  Afinal, o que é uma Fonte de Alimentação?  É um módulo, interno ou externo, que fornece corrente contínua (DC), que pode ser uma pilha ou bateria, mas que geralmente é constituída por um circuito que transforma a corrente alternada da rede primária (220 VAC) em corrente continua, em valores de tensão e corrente, adaptados ao correcto funcionamento dos equipamentos electrónicos. Tipos de Fontes de Alimentação Reguladas: Lineares Comutadas: Isoladas:  não Isoladas: Regulador Paralelo Redutor “Buck” FlybackIntrodução Regulador Série Elevador ”Boost” Forward Regulador com C.I.  Redutor/Elevado Meia Ponte “Buck-Boost” Ponte completa Push-pul 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 17
  18. 18. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação  Função: Processar e controlar o fluxo de energia eléctrica para a carga, proporcionando as tensões e correntes adequadas de forma optimizada. Esquema funcional Potência de Entrada Potência de saída Fonte Primária Circuito de Potência Carga (AC/DC) (Conversor) Ii Vi Io Vo Equipamento AC: Sinais de controlo Lâmpada Rede EléctricaIntrodução Gerador eólico Resistência DC: Motor … Bateria Circuito de Painel solar Controlo …. VRef 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 18
  19. 19. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação 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 portátil de baixa potência 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 19
  20. 20. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação 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 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 20
  21. 21. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação Fonte Linear VS Comutada ComutadaIntrodução Fonte AC/DC portátil de baixa potência 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 21
  22. 22. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação Lineares Sistemas de alimentação baseados o em reguladores linearesFontes Lineares  Simplicidade. Redutores de tensão (Reg.).  Robustez. Pesados e volumosos.  Sem irradiação de EMI. Baixo rendimento. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 22
  23. 23. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares Fontes de Alimentação Lineares Sistemas de alimentação baseados o em reguladores lineares Carga1 +5V Rede CA Carga2 +15VFontes Lineares Carga3 -15V Transformador de baixa frequência Rectificadores Reguladores Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 23
  24. 24. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES– Esquema Bloco  Afinal, o que é uma Fonte de Alimentação?  É um módulo, interno ou externo, que fornece corrente contínua (DC), que pode ser uma pilha ou bateria, mas que geralmente é constituída por um circuito transformador de corrente alternada da rede primária (220 VAC) em corrente continua, em valores de tensão e corrente, adaptados ao correcto funcionamento dos equipamentos electrónicos.Fontes Lineares VAC VCC Protecção Transformador Rectificador Filtro Regulador Carga Passivo electrónica 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 24
  25. 25. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Protecção VAC VCC Protecção Carga electrónica Protecção- destina-se a proteger a Fonte de Alimentação de sobrelevações de tensão na rede ou de sobrecargas. Normalmente constam de Botões de Ligar/Desligar,Fontes Lineares indicadores de Ligado, Fusíveis de retardo para a máxima corrente eficaz, disjuntores, VDR’s, Filtros EMI, etc.. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 25
  26. 26. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Transformador  Converte a tensão AC da rede primária, numa tensão AC geralmente com valor médio mais baixo adaptável ás necessidades. i1 i2 Várias possibilidades. v1 N1 N2 v2  Primário – Secundário.  Secundário com ponto central.  Pode ser ou não inversor - um ponto indica a polaridade(•)Fontes Lineares N2 v2 v1 N1 Comportamento ideal. N2 Transformador N2 v2 Redutor. v2  N1 v1  N1  N2. Isolamento galvânico. N1 Elevador. i2  N2  i1  Protecção do utilizador.  N1  N2. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 26
  27. 27. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Transformador -(Resumo) PP = PS  VP.IP = VS.IS Pm ax NS I P m ax  redutor  1 VP NP N V IP  IS * n n  rt  S  S  P I N P VP I S Transformador VS  VP * nFontes Lineares Rendimento: Em teoria: =100% Na prática:  = 80% 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 27
  28. 28. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Fusível Como calcular o valor dos fusíveis?  Se a Pmáx= 30W e a tensão da rede de 230V então: PP = PS  VP.IP = VS.IS Pm ax I P m ax  VP Pm ax 30 I P m ax    0,13A VP 230Fontes Lineares  Desta forma o valor do fusível a usar no primário será de 130mA , de modo a queimar-se mediante a existência de flutuações de tensão da rede e/ou de carga, e assim proteger o tranformador e o circuito. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 28
  29. 29. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Rectificação VAC VCC Protecção Transformador Rectificador Carga electrónica destina-se a converter a onda sinusoidal (AC), Rectificação- numa onda unidireccional pulsante, isto é, os semiciclosFontes Lineares negativos são convertidos em positivos, sendo que a frequência do sinal rectificado é dupla/ou igual á do sinal de entrada . 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 29
  30. 30. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Rectificação Meia Onda Rectificadores  É utilizado um só diodo, pelo que num semiciclo o diodo conduz e no outro não conduz. Semi-ciclos Positivos Semi-ciclos NegativosFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 30
  31. 31. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Rectificação de Onda Completa Semi-ciclos Positivos VLFontes Lineares Semi-ciclos Negativos 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 31
  32. 32. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Rectificação de Onda Completa 2x12,6VFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 32
  33. 33. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Rectificação de Onda Completa V 2( pk )  VD  0 ,636.V 2( pk )  VD  v1 NS Vmed  2. NP V v2 NS   V NP t Para rectificação de onda t completa com díodos discretos, D1 D2 é necessário um transformador com secundário duplo. V1 V2 t t As voltagens nos secundários estão em oposição de fase e cada díodo conduz semiciclos positivos. Vmed Máxima tensão inversa que oFontes Lineares díodo tem de suportar é 2V2(pk)-VD. V1 O sinal rectificado tem V2 frequência dupla do sinal de entrada 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 33
  34. 34. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Rectificação de Onda Completa Rectificadores Com Ponte de Greatz  Para rectificação de onda completa não é necessário o transformador ter secundário duplo. Máxima tensão inversa que o díodo tem de suportar é V2(pk)-2VD(passa por dois díodos por cada semiciclo). V 2( pk )  2VD Vmed  2.  0,636 .V 2( pk )  2VD   O sinal rectificado tem frequência dupla do sinal deFontes Lineares entrada Vmed 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 34
  35. 35. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Rectificação de Onda Completa Rectificadores Com Ponte de Greatz vs1 Np V V 2( pk )  2VD  0,636 .V 2( pk )  2VD  NS Vmed  2.  vs2 Np NS V  Com transformador de secundário duplo, e uma ponte *VR1 de Graetz consegue-se uma fonte com tensões simétricas 0V Vmed Máxima tensão inversa que o -VR2 díodo tem de suportar éFontes Lineares (2VPS-VD). O sinal rectificado tem frequência dupla do sinal da entrada AC. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 35
  36. 36. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Sinais Rectificados Meia Onda Rectificadores Como a rectificação é de Meia-onda, assim a frequência da tensão T rectificada é igual á da Rede AC. V V 2( pk )  VD Vmed   0 ,318 .V( pk )  VD   V ef - Factor de forma, é a relação entre t V 2( pk )  VD f F= o valor eficaz da tensão e o valor DC; o V ef = V med valor ideal seria 1: 2 V ef ( V 2( pk )  VD ) /2  fF= = = = 1,57  (r) Factor de Ripple, mede a V med ( V 2( pk )  VD ) / 2 percentagem de AC na tensão rectificada.Fontes Lineares Sendo rectificação de Meia-Onda,121% 2 mostra que o nível de contínua é muito r = f F - 1 = 1,572 - 1 = 1,21 baixo...  () O Rendimento, na ordem de cerca  = ( ) = 0,405 de 40%, também é relativamente fraco. 2 2 /R 2  = V med I med = V med V ef  I ef 2 V ef /R  09-09-2012 Por : Luís Timóteo 36
  37. 37. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Sinais Rectificados Onda Completa com Transformador duplo A rectificação é de Onda Completa, assim a frequência da tensão rectificada é dupla da Rede AC. V 2( pk )  VD Vmed  2.  0 ,636 .V 2( pk )  VD   Valor médio: Tensão inversa T V 2( pk )VD V ef = 2 V ef V / 2  VR = mFontes Lineares f F= V med = = 1,11 2 2  V m / 2 2 t 2 r= f F - 1 = 1,112 - 1 = 0,483 V med  I med V med /R 2 8 = = = 2 = 0,81 V ef  I ef  2 V ef /R 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 37
  38. 38. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Sinais Rectificados Resumo Fonte simétrica Onda Completa com Onda Completa com Ponte de Onda Completa com Meia-Onda Graetz transformador duplo Onda Completa com Ponte transformador tomada Graetz centralFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 38
  39. 39. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Sinais Rectificados ResumoFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 39
  40. 40. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem  Finalidade: Reduzir a componente AC da tensão rectificada (Pulsante). • Permitir que a componente contínua chegue á carga livre de flutuações. • Eliminar a componente alterna. VAC VCC Protecção Transformador Rectificador Filtro CargaFontes Lineares Passivo electrónica Transformador + Rectificador 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 40
  41. 41. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtro com bobine iL L Rectificador ve RL ZL = 0 ZL = 2··f·L Valores L.Fontes Lineares Vmed(dc) RL vmed(ac) RL • ZL(ca) >> RL. 2·VRmax 2·V 4·V • iL > 0. vmed(dc) = ———— Vmed(ac) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ···  3· 15· 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 41
  42. 42. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtro com bobine e condensador iL L Rectificador ve RL C Melhora o funcionamento. • C contribui para eliminar (dc) a componente AC.Fontes Lineares Valores de L e C. • ZC(ac) << RL. (ac) • ZL(ac) >> ZC (ca). • iL > 0. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 42
  43. 43. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Com filtro capacitivo a tensão diminui linearmente com a carga. Com filtro indutivo, inicialmente a tensão diminui muito com a carga, mas a parti de determinado ponto mantém-se constante independentemente da carga. Voltagem de Pico Esta característica faz com que o filtro indutivo funcione com protecção de curto- circuitos, o que é bom, mas para que a tensão seja constante, é necessária uma determinada carga mínima o que fará reduzir ainda mais o rendimento…Fontes Lineares Vout Carga Tensão de saída do Filtro 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 43
  44. 44. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtros com bobine e condensador L L RC RC RC C C C C Filtro Capacitivo Filtro LC Entrada a Filtro LC em  Bobine L L L R RC RC RCFontes Lineares C C C C C Filtro LC Entrada a Filtro RC em  Filtro LC duplo Entrada Condensador a Bobine  Filtro Capacitivo evita o uso de indutâncias. • Pesadas e volumosas para frequências de 50… 120Hz. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 44
  45. 45. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtro com condensador Rectificador ve RL C  Evita o uso de indutâncias. • Pesadas e volumosas para frequências de 50 / 100Hz.Fontes Lineares  Análise mais complexa. • A evolução das correntes e tensões no circuito dá lugar a instantes em que os díodos rectificadores estão inversamente polarizados.  Comportamento não linear. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 45
  46. 46. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtro com condensador Funcionamento Vpk v1 vR RFontes Lineares Vpk Carga Descarga Carga Descarga 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 46
  47. 47. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem VRL Análise Descarga/Carga Ideal Filtro com condensador VRmax V(ac)min Vr Supõe-se a descarga do condensador a corrente constante. T T T  Vem…  VRL C =I.t I = —— T RL —— VRmax Vr Vr Vmed 2 Vr Vr V(ac)min 2 Nível DC T T T= 1 —— f T  Em que T é o tempo de conduçãoFontes Lineares dos diodos para a carga de C. Rectificador vRL RL C 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 47
  48. 48. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtro com condensadorFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 48
  49. 49. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Desenvolvimento das Expressões do “Ripple” Descarga/Carga Ideal Vpk Vr V(dc) V ( dc ) Vpk  Vr(2pp ) V ( dc ) Vpk  Vp T  Vr ( pp ) = Vpk T RC 2 RC V ( dc ) Vpk 1   T  tc  2 fRC   tdes t T Para efeitos de cálculo do condensador, considera-se o tempo de descarga ≈ ao períodoFontes Lineares T, e o tempo de carga ∆tc Instantâneo, desprezível. Para calcular o”rms” de uma sinusóide, dividiria por 2 a Vr(pp) e multiplicaria por 2. Esta forma de onda aproxima-se mais duma dente de serra, cujo factor “rms” é 3. Então: V Vpk I T Vr ( rms ) = Vpk T C= Vr (rms) C=  r%  100 Vr ( rm s )  r ( PP ) 2 3 2 f 3RC Vr ( pp) R Vr( pp)  V ( DC) 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 49
  50. 50. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem Filtro com condensador 1000F 1000 100F Valor de C 100  Valor da Carga 10F 10 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 50
  51. 51. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem (Cont.) Filtro com condensador  Porque não se usa um condensador o maior possível? • Principalmente para evitar um aumento desnecessário do volume. • Além disso há que ter em conta a influência do valor do condensador sobre a corrente que circula nos díodos. (Aumenta) VR vR t t iD iDFontes Lineares t t C C T1 T1 T T 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 51
  52. 52. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem (Cont.) Cálculo da Corrente máxima nos diodos  Quando se aumenta a capacidade do condensador, é verdade que se diminui o “Ripple”, mas o tempo de carga do condensador diminui e o tempo de descarga aumenta, então, o condensador tem que carregar mais energia em mais curto espaço de tempo, o que vai originar um pico muito intenso de corrente nesse espaço de tempo, podendo até danificar os diodos. vR  Os diodos só vão conduzir, no espaço de tempo em que a voltagem de saída é menor que a de entrada, que é quando se dá a carga de C.  Num circuito rectificado sem condensador a i t corrente máxima no diodo seria a voltagem de D pico sobre a carga, mas com um condensador, vai ser essa mesma corrente, mais a corrente de carga do condensador, que pode ser quatro ou mais vezes superior…Fontes Lineares t  Suponhamos uma fonte de 12V 0,5A: C T1 T  A corrente média nos diodos é de cerca de 0,5A.  Supondo que o condensador carrega em ¼ do período T, quer dizer que alimenta a carga durante ¾ de T. Para um condensador de 3300µF e uma ondulação de 1,45V, de rectificação completa de 50Hz (T=20ms/2=10 ms) corrente de pico será: c ∆V ∆t Io Q= I.∆t/C em que Q= ∆V ↔I = IDmax = (0.0033F x 1.45V)/0.0025s + 0,5A= 2.414 A 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 52
  53. 53. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem (Cont.) Cálculo da Corrente máxima nos diodos  Quando se aumenta a capacidade do condensador, é verdade que se diminui o “Ripple”, mas o tempo de carga do condensador diminui e o tempo de descarga aumenta, então, o condensador tem que carregar mais energia em mais curto espaço de tempo, o que vai originar um pico muito intenso de corrente nesse espaço de tempo, podendo até danificar os diodos.  Os diodos só vão conduzir, no espaço de tempo em que a voltagem de saída é menor que a de entrada, que é quando se dá a carga de C. V pk V pk vR iDmed  (1  π ) RL 2Vr t V pk V pkFontes Lineares iD iDmax  (1  2π ) RL 2Vr 1 V pk V pk V pk iDmedDC  [( )(1  )] t 2π 2Vr RL 2Vr C T1 T 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 53
  54. 54. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Filtragem (Exercícios) Exemplo 1: Qual o valor do Factor de “Ripple” na saída de uma Fonte de Alimentação, se um Voltímetro mede na saída 200 VDC e 2 VAC? (O voltímetro mede valores eficazes) Vr ( rms) Vr(rms) = 2 V r%  100 Vmed(DC )= 200 V V ( DC ) 2 r%   100  1% Exemplo 2: 200 O Valor pico a pico do “Ripple” ,Vr, é: 80V – 60V = 20V Então o valor eficaz do “Ripple” (sinusoidal) é: +80V Vr Vr ( rm s  Vr ( PP )Fontes Lineares +70V )2 2 +60V Então o valor de pico é: 20 /( 2x1,4142)  7,07V O valor médio DC, é dado aproximadamente pelo valor que fica a meio entre o máximo e o mínimo do “Ripple”, e neste caso é 70V. Então: % Ripple  7 ,07V  100  10 ,1% 70V 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 54
  55. 55. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação  O conjunto rectificador + filtro pode constituir uma fonte de alimentação. • Se a carga não pedir demasiada corrente. • Será sensível ás variações da carga e da tensão de entrada.  Para conseguir mais estabilidade na tensão de saída é preciso incluir um regulador. • Regulador em Paralelo (Shunt). • Regulador em Série.Fontes Lineares Filtro Rectificador Regulador Passivo 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 55
  56. 56. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores em paralelo R FONTE Vo = Vz SEM Vin Vz Vo RL REGULAÇÃO  A tensão Vin deve ser sempre maior que a tensão Vo.Fontes Lineares Vp A diferença entre ambas a  tensões é dissipada na Vz  resistência R. • Interessa que Vin não seja muito maior que Vo. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 56
  57. 57. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores em paralelo Diodo ZenerFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 57
  58. 58. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores em paralelo Diodo Zener  Efeito Zener e “Ripple” Carga em curto Sem CargaFontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 58
  59. 59. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores em paralelo VIN Elemento série Malha de Amostragem Regulador VOUT Comparador de TensãoFontes Lineares Tensão de Referência 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 59
  60. 60. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores em paralelo Elemento Série RS Elemento de Controlo R1 R FONTE Q1 SEM Vin Vo Rc REGULAÇÃOFontes Lineares Vz R2 Circuito Comparador Tensão de Circuito de Referência Amostragem 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 60
  61. 61. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores em paralelo IS RS IC Ic R1 R Q1 Vin Vo Rc Vz R2Fontes Lineares A principal desvantagem do regulador paralelo, reside na dissipação em RS da tensão Vin-Vout da qual resulta uma eficiência muito baixa . 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 61
  62. 62. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série A outra possibilidade... Q1 FONTE Vo Sem Vin R RL REGULAÇÃO VzFontes Lineares Vo = Vz – VBE O elemento de controlo passa a ser um transistor. A resistência R reduz o seu valor. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 62
  63. 63. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série  Finalidade: Manter uma tensão de saída constante para qualquer valor de carga e tensão de entrada. • Sistema realimentado negativamente para manter uma tensão de saída constante. Esquema Bloco Vin Vo ELEMENTO entrada DE CONTROL saída não regulada regulada CIRCUITO DEFontes Lineares AMOSTRAGEM TENSÃO DE CIRCUITO REFERÊNCIA COMPARADOR 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 63
  64. 64. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série Esquema de um regulador de tensão em série com a carga. Q1 R R1 FONTE Vin Vo SEM RL REGULAÇÃOFontes Lineares Vz R2 De notar que o elemento série passou a ser um transistor… 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 64
  65. 65. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série Identificação dos blocos de que consta um regulador Série. Elemento de Controlo Q1 R R1 FONTE Vin Vo SEM RL REGULAÇÃOFontes Lineares Vz Circuito R2 Comparador Tensão de Referência Circuito de Amostragem 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 65
  66. 66. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série A ter em conta: O Ampop. Está alimentado por uma fonte não estabilizada. Q1 Q1 • O seu comportamento pode variar com as R R1 variações de Vcc.(Vin) Vin Vo Há que assegurarFontes Lineares que o Ampop. Vz R2 trabalha na zona linear. Tensão de Vão Vin > Vo+2 Vout < Vcc-2. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 66
  67. 67. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série A ter em conta: A Tensão de referência. • Circuito muito Q1 simples. • Fazendo R suficientemente R R1 elevada evita-se a influência das vin vo flutuações de Ve.Fontes Lineares • Podem usar-se Vz R2 LED’s ou diodos rectificadores. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 67
  68. 68. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série A ter em conta: Circuito de Amostragem. • Circuito muito Q1 simples. • Valores de R1 e R2 elevados em comparação R R1 com a carga. Vin VoFontes Lineares R1 + R2 Vz R2 Vo = ———— · Vz R2 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 68
  69. 69. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série  Limitação da corrente constante. • Se is < Imáx, tem-se Vo = Vo(nom). • Quando is > Imáx, Vs diminui. Rcc Q1 is Curva de Regulação vo VBE2 Q2Fontes Lineares Quando Q2 conduz, “rouba” corrente de base a Q1. • Limita assim o valor de is. • O valor de Imáx é fixo com Rcc. Imáx is Rcc · Imáx  0,6V [VBE2(ON)] 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 69
  70. 70. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos reguladores Série Esquema completo Q1 Rcc Q2 R R1 Vin Vo RLFontes Lineares Vz R2 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 70
  71. 71. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Regulador série, a transistores, com limitador de corrente R2 Q3 R6  Dz- Tensão de referência Q2  Q1- Comparador Q4 R3  Q2- Amplificador DC  Q3- Elemento série Q4- Limitador de corrente R1 RL Q1   R3/R4/R5- Malha de amostragem R6- Amostragem de corrente R4  Dz R5  O limitador de corrente destina-se a proteger o circuito ao limitar aFontes Lineares corrente a um determinado valor.(Q4/R6)  Se carga (RL)   VOUT  VR4   VBQ1  ICQ1  VR2   VBQ2   ICQ2   ICQ3   VOUT  R6 deve ter um valor para que a corrente máxima que a unidade pode fornecer Icarga x R6 = 0,7v afim de Q4 conduzir limitando a corrente de Q3. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 71
  72. 72. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES – Regulação (Cont.) Circuitos Integrados reguladores de tensão  Incluem todos os elementos de um regulador em Série.  Reguladores de tensão positiva fixa.  Reguladores de tensão negativa fixa. Reguladores de tensão ajustáveis Protecção térmica contra sobrecargas: IN OUTFontes Lineares Corrente máxima depende GND do tipo de encapsulado. Ve Vs RL 0,33F 0,1F Condensadores para melhorar a estabilidade. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 72
  73. 73. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Reguladores Integrados Reguladores de tensão fixa Positiva: Séries 78XX Serie 78XX. Os dígitos XX indicam a tensão de saída. 7805- tensão de saída positiva de 5v  Negativa: Séries 79XX 7905- tensão de saída negativa de 5v A tensão de entrada deve ser superior á da saída.Fontes Lineares • Pelo menos 2 a 3V. • Não deve ultrapassar os 35V (40Vpara o 7824). Tensões entre 5 e 24V. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 73
  74. 74. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Reguladores Integrados Positiva: Séries 78XX Exemplo 25,46Vpico +12V IN OUT 7812 is 18Vef C GND Vin Vo RCARGA vrede 220Vef 470µF 10nF 18VefFontes Lineares Calcular a relação de espiras do transformador mais adequada para minimizar a potência dissipada. O condensador C deve assegurar que Vin nunca desce abaixo do valor mínimo permitido. • A corrente de descarga é is. 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 74
  75. 75. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Reguladores Integrados Exemplo Reguladores de tensão fixa  Positiva: Séries 78XX / Negativa: Séries 79XX  Positiva: 78S05Fontes Lineares 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 75
  76. 76. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Reguladores Integrados Reguladores de tensão fixa negativa  Série 79XX. • Análogos aos reguladores positivos da serie 78XX.Fontes Lineares RL GND IN OUT 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 76
  77. 77. Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Lineares FONTES LINEARES - Reguladores Integrados Reguladores de tensão simétrica 78XX 78XX + + N2 vred N1 N2 + 79XX 79XX - 78XX + 79XX -Fontes Lineares + N2 N2 + N1 N1 N2 N2 09-09-2012 Por : Luís Timóteo 77

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