PROJETO BÁSICO DE FONTE DE ALIMENTAÇÃO ANALÓGICA

Há um velho ditado: “Você pode dar um peixe a um homem e ele comerá por um dia ou você pode ensinar um homem a pescar e ele comerá para sempre”. Existem muitos artigos que fornecem ao leitor um design específico para a construção de uma fonte de alimentação, e não há nada de errado com esses designs de livro de receitas. Eles geralmente têm um desempenho muito bom. No entanto, eles não ensinam os leitores a projetar uma fonte de alimentação sozinhos. Este artigo de duas partes começará do início e explicará todas as etapas necessárias para construir uma fonte de alimentação analógica básica. O projeto se concentrará no onipresente regulador de três terminais e incluirá uma série de melhorias no projeto básico.

É sempre importante lembrar que a fonte de alimentação - seja para um produto específico ou como uma peça geral de equipamento de teste - tem o potencial de eletrocutar o usuário, iniciar um incêndio ou destruir o dispositivo que está alimentando. Obviamente, essas coisas não são boas. Por esse motivo, é fundamental abordar esse design de maneira conservadora. Fornece bastante margem para componentes. Uma fonte de alimentação bem projetada é aquela que nunca é notada.

CONVERSÃO DE ENTRADA DE ENERGIA

A Figura 1 mostra o projeto fundamental para uma fonte de alimentação analógica típica. Consiste em três componentes principais: conversão e condicionamento da potência de entrada; retificação e filtragem; e regulamentação. A conversão de energia de entrada é normalmente um transformador de energia e é o único método considerado aqui. No entanto, há alguns pontos importantes a serem mencionados.

FIGURA 1. Uma fonte de alimentação analógica básica consiste em três partes. Os dois primeiros são discutidos neste artigo e o último na próxima edição.

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A primeira é que 117 VAC (Volts Alternating Current) é realmente uma medição RMS (Root Mean Square). (Observe que eu vi energia doméstica comum especificada em qualquer lugar de 110 VAC a 125 VAC. Eu acabei de medir a minha e descobri que era precisamente 120.0 VAC.) Uma medição RMS de uma onda senoidal é muito mais baixa do que o pico de tensão real e representa a tensão DC (corrente contínua) equivalente necessária para fornecer a mesma energia.

A conversão RMS varia de acordo com o formato da onda; para uma onda senoidal, o valor é 1.414. Isso significa que o desvio em torno de zero volts é, na verdade, 169.7 volts (para minha alimentação de 120 VAC). A potência vai de -169.7 volts a +169.7 volts a cada ciclo. Portanto, a tensão de pico a pico é na verdade 339.4 volts!

Essa tensão se torna especialmente importante ao adicionar capacitores de bypass às ​​linhas de alimentação principais para suprimir o ruído de entrar ou sair da fonte de alimentação (uma situação comum). Se você acha que a tensão real é 120 volts, você pode usar capacitores de 150 volts. Como você pode ver, isso não é correto. A tensão de trabalho segura mínima absoluta para seus capacitores é de 200 volts (250 volts é melhor). Não se esqueça de que, se você espera ver ruídos / picos na linha, é necessário adicionar essa tensão de ruído / picos à tensão de pico.

A frequência de entrada é universalmente 60 Hz nos EUA. Na Europa, 50 Hz é comum. Os transformadores classificados para 60 Hz geralmente terão um bom desempenho em 50 Hz e vice-versa. Além disso, a estabilidade de frequência da linha de alimentação geralmente é excelente e raramente é levada em consideração. Ocasionalmente, você pode encontrar transformadores de 400 Hz disponíveis. Normalmente, são dispositivos militares ou aeronáuticos e geralmente não são adequados para uso com alimentação de 50/60 Hz (ou vice-versa).

A saída do transformador também é especificada como uma tensão RMS. Além disso, a tensão especificada é a tensão mínima esperada em plena carga. Freqüentemente, há um aumento de cerca de 10% na saída nominal sem carga. (Meu transformador de 25.2 volts / dois amperes mede 28.6 volts sem carga.) Isso significa que a tensão de saída de pico / sem carga real para meu transformador de 25.2 volts é de 40.4 volts! Como você pode ver, é sempre importante lembrar que as tensões RMS nominais para energia CA são substancialmente menores do que as tensões de pico reais.

A Figura 2 fornece um projeto de condicionamento e conversão de energia de entrada típico. Eu prefiro usar um switch de dois pólos, embora não seja absolutamente necessário. Ele protege contra tomadas elétricas com fiação incorreta (o que é raro hoje) ou cabos de alimentação com fiação incorreta na própria fonte de alimentação (muito mais comum). É vital que, quando o interruptor de alimentação estiver desligado, o cabo quente seja desconectado da fonte de alimentação.

FIGURA 2. O condicionamento de entrada é bastante básico, mas deve ser lembrado que a tensão RMS não é a mesma que a tensão de pico. A tensão de pico de 120 VAC RMS é de cerca de 170 volts.

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O fusível (ou disjuntor) é necessário. Seu principal objetivo é prevenir incêndios, pois sem ele, um curto-circuito no transformador ou no circuito primário permitirá o fluxo de correntes massivas, fazendo com que as peças de metal fiquem vermelhas ou mesmo brancas. Geralmente é um tipo de sopro lento avaliado em 250 volts. A classificação atual deve ser cerca do dobro do que o transformador pode esperar consumir.

Por exemplo, o transformador de dois amperes de 25.2 volts mencionado acima consumirá cerca de 0.42 amperes de corrente primária (25.2 volts / 120 volts x dois amperes). Portanto, um fusível de um amp é razoável. Um fusível no secundário será discutido no próximo artigo.

Os capacitores de bypass ajudam a filtrar o ruído e são opcionais. Uma vez que a tensão de pico é de cerca de 170 volts, uma classificação de 250 volts é melhor do que uma classificação marginal de 200 volts. Você pode usar um “filtro de entrada de energia”. Existem muitos tipos dessas unidades. Alguns contêm um conector de alimentação padrão, interruptor, porta-fusível e filtro em um pequeno pacote. Outros podem ter apenas alguns desses componentes. Normalmente, aqueles com tudo são bastante caros, mas as unidades excedentes geralmente podem ser encontradas a preços muito razoáveis.

Ser capaz de determinar se o circuito primário está energizado é importante, portanto, uma luz piloto é usada. Dois circuitos típicos são mostrados. A lâmpada de néon é usada há décadas. É simples e barato. Tem as desvantagens de ser um pouco frágil (sendo feito de vidro); pode piscar se o resistor for muito grande; e pode gerar algum ruído elétrico (devido à súbita quebra iônica do gás neon).

O circuito do LED também requer um resistor limitador de corrente. A 10,000 hms, cerca de 12 mA de corrente é fornecida. A maioria dos LEDs é classificada para uma corrente máxima de 20 mA, portanto, 12 mA é razoável. (LEDs de alta eficiência podem funcionar satisfatoriamente com apenas 1 ou 2 mA, portanto, o resistor pode ser aumentado conforme necessário.)

Observe que os LEDs têm tensões de ruptura reversa realmente ruins (normalmente 10 a 20 volts). Por isso, é necessário um segundo diodo. Este deve ser capaz de operar com pelo menos 170 volts de PIV (Peak Inverse Voltage). O 1N4003 padrão é avaliado em 200 PIV, o que não oferece muita margem. O 1N4004 é avaliado em 400 PIV e custa talvez um centavo a mais. Ao colocá-lo em série com o LED, o PIV geral é 400 mais o PIV do LED.

RECTIFICAÇÃO E FILTRAGEM

As Figuras 3, 4 e 5 mostram os circuitos de retificação mais típicos com a forma de onda de saída exibida acima. (O capacitor de filtro não é mostrado porque, ao adicioná-lo, a forma de onda muda para algo como uma tensão CC.) É útil examinar esses três circuitos básicos para identificar seus pontos fortes e fracos.

A Figura 3 mostra o retificador básico de meia onda. A única característica redentora disso é que é muito simples, usando apenas um único retificador. A característica ruim é que ele usa apenas metade do ciclo de energia, tornando a eficiência teórica do circuito menos de 50% apenas para iniciar. Freqüentemente, as fontes de alimentação do retificador de meia onda são apenas 30% eficientes. Como os transformadores são itens caros, essa ineficiência é muito cara. Em segundo lugar, a forma de onda é muito difícil de filtrar. Na metade do tempo, não há energia proveniente do transformador. Suavizar a saída requer valores muito altos de capacitância. Raramente é usado para uma fonte de alimentação analógica.

FIGURA 3. O circuito retificador de meia onda é simples, mas produz uma forma de onda de saída pobre que é muito difícil de filtrar. Além disso, metade da energia do transformador é desperdiçada. (Observe que os capacitores de filtragem são omitidos para maior clareza porque eles mudam a forma de onda.)

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Uma coisa interessante e importante acontece quando um capacitor de filtro é adicionado a um circuito retificador de meia onda. O diferencial de tensão sem carga dobra. Isso porque o capacitor armazena energia da primeira metade (parte positiva) do ciclo. Quando ocorre a segunda metade, o capacitor está mantendo a tensão de pico positiva e a tensão de pico negativa é aplicada ao outro terminal, fazendo com que uma tensão pico a pico seja vista pelo capacitor e, por meio dele, o diodo. Portanto, para um transformador de 25.2 volts acima, o pico de tensão real visto por esses componentes pode ser superior a 80 volts!

A Figura 4 (circuito superior) é um exemplo de um circuito retificador típico de onda completa / derivação central. Quando isso é usado, na maioria dos casos, provavelmente não deveria ser. Ele fornece uma boa saída que é totalmente retificada. Isso torna a filtragem relativamente fácil. Ele usa apenas dois retificadores, por isso é muito barato. No entanto, não é mais eficiente do que o circuito de meia onda apresentado acima.

FIGURA 4. O design de onda completa (topo) produz uma boa saída. Ao redesenhar o circuito (parte inferior), pode-se ver que na verdade são apenas dois retificadores de meia onda conectados entre si. Novamente, metade da potência do transformador é desperdiçada.

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Isso pode ser visto redesenhando o circuito com dois transformadores (Figura 4 abaixo). Quando isso é feito, fica claro que a onda completa é, na verdade, apenas dois circuitos de meia onda conectados entre si. Metade de cada ciclo de alimentação do transformador não é usada. Assim, a eficiência máxima teórica é de 50% com eficiências reais em torno de 30%.

O PIV do circuito é a metade do circuito de meia onda porque a tensão de entrada para os diodos é a metade da saída do transformador. A derivação central fornece metade da tensão para as duas extremidades dos enrolamentos do transformador. Portanto, para o exemplo do transformador de 25.2 volts, o PIV é de 35.6 volts mais o aumento sem carga que é cerca de 10% a mais.

A Figura 5 apresenta o circuito retificador em ponte, que geralmente deve ser a primeira escolha. A saída é totalmente retificada, de modo que a filtragem é bastante fácil. Mais importante, no entanto, ele usa as duas metades do ciclo de alimentação. Este é o projeto mais eficiente e tira o máximo proveito do caro transformador. Adicionar dois diodos é muito mais barato do que dobrar a potência do transformador (medida em “Volt-Amps” ou VA).

FIGURA 5. A abordagem da ponte retificadora (topo) fornece uso total da potência do transformador e com uma retificação de onda completa. Além disso, alterando a referência de aterramento (parte inferior), uma fonte de alimentação de dupla tensão pode ser obtida.

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A única desvantagem desse projeto é que a energia deve passar por dois diodos com uma queda de tensão resultante de 1.4 volts em vez de 0.7 volts para os outros projetos. Geralmente, esta é uma preocupação apenas para fontes de alimentação de baixa tensão, onde os 0.7 volts adicionais representam uma fração substancial da saída. (Nesses casos, uma fonte de alimentação de comutação é geralmente usada em vez de qualquer um dos circuitos acima.)

Como há dois diodos sendo usados ​​para cada meio ciclo, apenas metade da tensão do transformador é vista por cada um. Isso torna o PIV igual à tensão de entrada de pico ou 1.414 vezes a tensão do transformador, que é a mesma do circuito de onda completa acima.

Um recurso muito interessante do retificador em ponte é que a referência de aterramento pode ser alterada para criar uma tensão de saída positiva e negativa. Isso é mostrado na parte inferior da Figura 5.

FILTRAGEM

Quase toda a filtragem de uma fonte de alimentação analógica vem de um capacitor de filtro. É possível usar um indutor em série com a saída, mas a 60 Hz, esses indutores devem ser muito grandes e são caros. Ocasionalmente, eles são usados ​​para fontes de alimentação de alta tensão, onde os capacitores adequados são caros.

A fórmula para calcular o capacitor de filtro (C) é bastante simples, mas você precisa saber a tensão de ondulação pico a pico aceitável (V), o tempo de meio ciclo (T) e a corrente consumida (I). A fórmula é C = I * T / V, onde C está em microfarads, I está em miliamperes, T está em milissegundos e V está em volts. O tempo de meio ciclo para 60 Hz é de 8.3 milissegundos (referência: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Está claro pela fórmula que os requisitos de filtragem são aumentados para fontes de alimentação de alta corrente e / ou ondulação baixa, mas isso é apenas senso comum. Um exemplo fácil de lembrar é que 3,000 microfarads por ampere de corrente fornecerá cerca de três volts de ondulação. Você pode trabalhar várias proporções a partir deste exemplo para fornecer estimativas razoáveis ​​do que você precisa com bastante rapidez.

Uma consideração importante é o aumento da corrente ao ligar. Os capacitores do filtro atuam como curto-circuito até serem carregados. Quanto maiores os capacitores, maior será o pico. Quanto maior o transformador, maior será o surto. Para a maioria das fontes de alimentação analógicas de baixa tensão (<50 volts), a resistência do enrolamento do transformador ajuda um pouco. O transformador de 25.2 volts / dois amperes tem uma resistência secundária medida de 0.6 ohms. Isso limita a energização máxima a 42 amperes. Além disso, a indutância do transformador reduz isso um pouco. No entanto, ainda há um grande pico de corrente potencial ao ligar.

A boa notícia é que os retificadores de silício modernos costumam ter enormes capacidades de corrente de surto. A família de diodos padrão 1N400x é geralmente especificada com 30 amperes de corrente de surto. Com um circuito em ponte, há dois diodos transportando isso, então o pior caso é de 21 amperes cada, o que está abaixo da especificação de 30 amperes (assumindo o compartilhamento de corrente igual, o que nem sempre é o caso). Este é um exemplo extremo. Geralmente, um fator de cerca de 10 é usado, em vez de 21.

No entanto, este aumento atual não deve ser ignorado. Gastar alguns centavos a mais para usar uma ponte de três amperes em vez de uma ponte de um ampere pode ser um dinheiro bem gasto.

DESIGN PRÁTICO

Agora podemos colocar essas regras e princípios em uso e começar a projetar uma fonte de alimentação básica. Usaremos o transformador de 25.2 volts como o núcleo do projeto. A Figura 6 pode ser vista como uma composição das figuras anteriores, mas com a adição de valores práticos de parte. Uma segunda luz piloto no secundário indica seu status. Também mostra se há carga no capacitor. Com um valor tão alto, esta é uma consideração importante de segurança. (Observe que, como este é um sinal DC, o diodo de tensão reversa 1N4004 não é necessário.)

FIGURA 6. Projeto final da fonte de alimentação com especificações práticas das peças. A regulação da energia é discutida no próximo artigo.

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Pode ser mais barato usar dois capacitores menores em paralelo do que um grande. A tensão de trabalho para o capacitor deve ser de pelo menos 63 volts; 50 volts não é margem suficiente para o pico de 40 volts. Uma unidade de 50 volts fornece apenas 25% de margem. Isso pode ser bom para uma aplicação não crítica, mas se o capacitor falhar aqui, os resultados podem ser catastróficos. Um capacitor de 63 volts fornece cerca de 60% de margem, enquanto um dispositivo de 100 volts fornece uma margem de 150%. Para fontes de alimentação, uma regra geral é entre 50% e 100% de margem para retificadores e capacitores. (A ondulação deve ser de cerca de dois volts, conforme mostrado.)

O retificador de ponte deve ser capaz de lidar com o alto surto de corrente inicial, portanto, vale a pena gastar mais alguns centavos para aumentar a confiabilidade. Observe que a ponte é especificada pelo que o transformador pode fornecer, e não pelo que a fonte de alimentação é eventualmente especificada. Isso é feito caso haja um curto na saída. Nesse caso, a corrente total do transformador passará pelos diodos. Lembre-se de que uma falha na fonte de alimentação é uma coisa ruim. Portanto, projete-o para ser robusto.

CONCLUSÃO

Os detalhes são uma consideração importante no projeto de uma fonte de alimentação. Observar a diferença entre a tensão RMS e a tensão de pico é fundamental para determinar as tensões de trabalho adequadas para a alimentação. Além disso, a corrente de surto inicial é algo que não pode ser ignorado.

Na Parte 2, concluiremos este projeto adicionando um regulador de três terminais. Projetaremos uma fonte de alimentação de voltagem ajustável de uso geral, com limitação de corrente e desligamento remoto. Além disso, os princípios usados ​​para este projeto podem ser aplicados a qualquer projeto de fonte de alimentação. 

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