Fontes de alimentação

Fontes de alimentação

1) Introdução

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A maioria dos circuitos eletrônicos requer correntes contínuas para a operação. Aparelhos que usam a rede elétrica precisam de um circuito para converter a tensão alternada para tensão ou tensões contínuas necessárias. Mesmo em aparelhos que usam pilhas ou baterias, pode haver necessidade de conversão da tensão destas para níveis de operação dos circuitos.

Uma fonte ideal não deve apresentar perdas, a tensão fornecida deve ser contínua pura, sem ondulações e constante, independente da variação da carga. É evidente que isso não existe na prática, mas a evolução dos circuitos (de fontes ou quaisquer outros) ocorre sempre no sentido da aproximação com o ideal.

Nesta primeira página são dadas informações básicas. O propósito é começar a partir dos conceitos mais simples e chegar até aos arranjos mais utilizados nos tempos atuais

2) Circuitos básicos de fontes

O processo fundamental da fonte é a retificação, isto é, a transformação da corrente alternada em contínua. Isto é feito normalmente por diodos, componentes que só permitem a passagem da corrente em uma direção.

Na Figura ao lado, o exemplo mais simples de fonte: o transformador reduz ou eleva a tensão da rede para o valor desejado e um único diodo só permite a passagem dos semiciclos positivos. Por isso, chamado retificador de meia-onda.

O resultado é uma corrente contínua pulsante, de valor de pico teoricamente igual ao valor de pico da tensão do secundário do transformador.

O circuito anterior é pouco eficiente e de elevada ondulação, pois a metade do ciclo não é aproveitada. Na Figura à esquerda um circuito de onda completa, que usa ambos os semiciclos.

O circuito da Figura à esquerda foi o pioneiro, dos tempos em que os diodos eram válvulas termiônicas, que ocupavam considerável espaço e representavam certo custo. É relativamente pouco usado nos dias atuais.

Na Figura à direita, uma ponte de diodos faz o mesmo trabalho de retificação em onda completa sem necessidade de duplo secundário no transformador. A contrapartida é o uso de quatro diodos em vez de dois.

3) Filtros

Os retificadores anteriormente mencionados fornecem apenas correntes contínuas pulsantes, que são inadequadas para a maioria dos circuitos.

Uma corrente contínua pulsante pode ser considerada a soma de um componente CA e de um componente CC. Ver exemplo na Figura à esquerda:

Uma corrente alternada quadrada (linha azul na parte superior) é somada a uma corrente contínua de valor Vm (linha verde no meio). O resultado é uma corrente contínua pulsante (linha vermelha na parte inferior) de valor médio Vm. O seja, o componente CC desloca para cima o componente CA no valor Vm.

Fica evidente, portanto, que uma fonte deve dispor de filtro para reduzir o valor do componente CA ao nível aceitável pelo circuito que ela alimenta.

O parâmetro para indicar a qualidade da corrente pulsante é chamado fator de ondulação e é dado por r = Vef / Vm . Onde Vef é o valor eficaz do componente CA e Vm, valor médio conforme já visto ("r" se deve à palavra inglesa equivalente "ripple").

É claro que o filtro deve reduzir r para o menor valor possível (nulo, no caso ideal).

Na Figura ao lado, um filtro simples e bastante usado: um capacitor é colocado na saída do retificador.

O componente CA após o retificador (meia-senóide de pico Vp) carrega o capacitor em parte do ciclo e ele se descarrega em outra parte, resultando componente CA de formato perto do triangular, conforme linha azul da Figura a baixo.

O fator de ondulação aproximado para o filtro capacitivo é dado por 1 / (2 3 f R C). Onde f é a freqüência da entrada do retificador e R, a resistência da carga. Isso significa que a ondulação diminui com o aumento do valor do capacitor e aumenta com o aumento da corrente da carga (R menor).

E a tensão de saída Vm é dada de forma aproximada por

Vp - I / (2 f C) . Onde I é a corrente na carga.

4) Fontes estabilizadas

Conforme item anterior, o filtro apresenta uma região de tensão constante, independente da corrente da carga. Mas isso ocorre apenas em teoria.

Se a tensão da rede variar, a saída da fonte também varia, qualquer seja o filtro usado. Transformadores, indutores e diodos polarizados diretamente não têm resistência elétrica nula e, portanto, a tensão da fonte sempre muda com a variação da corrente da carga.

Se o circuito alimentado exigir uma tensão razoavelmente constante, um simples filtro não poderá garantir isso.

Na Figura à direita, uma das primeiras técnicas usadas para a estabilização da fonte.

Um componente ativo (transistor) é inserido em série com a carga. O diodo zener fornece uma tensão de referência constante dentro da faixa de variação prevista. Essa tensão (constante) e a de saída (supostamente variável) são aplicadas em um circuito controlador, que faz a comparação de ambas e polariza a base do transistor. Se, por exemplo, a corrente da carga aumenta, a tensão de saída tende a diminuir e o circuito de controle ajusta a polarização da base do transistor, fazendo-o conduzir mais e, portanto, restabelecendo o valor anterior.

O circuito de controle pode proporcionar outras funções, como o ajuste da tensão de saída e proteção contra sobrecargas ou curtos-circuitos.

5) Características das fontes estabilizadas

As fontes que operam conforme tópico anterior são chamadas fontes lineares porque o transistor em série com a carga funciona como um regulador aproximadamente linear. Na realidade, ele se comporta como um resistor variável, cujo valor é automaticamente ajustado para compensar as variações da carga. Uma desvantagem deste