ME1 FontesDC IMP Maio2010

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Fontes de Alimentação DC

Medidas Eléctricas I

Prof. Ricardo Queirós

Departamento de Informática, Electrónica e Electrotecnia Faculdade de Engenharia

Universidade Agostinho Neto

1◦ Semestre 2010

Prof. Ricardo Queirós (UAN 2010) Medidas Eléctricas I 1 / 36

Conteúdo

1 _Introdução

2 _{Fontes de Alimentação Lineares}

3 _{Fontes de Alimentação Comutadas}

4 _{Comparação entre Fontes de Alimentação DC}

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Introdução

Fontes de Alimentação DC

Fornecem tensão DC (direct current) aos circuitos electrónicos (rádios, carregadores de baterias, telemóveis, computadores, etc), a partir de uma tensão AC;

Podem ser classificados em duas categorias: Lineares e Comutadas;

As lineares são aquelas que em que o regulador de tensão é linear e as comutadas em que este é comutado;

As fontes Lineares tendem a ser mais simples, ocupar mais volume e a ser menos eficientes do que as Comutadas.

Fontes de Alimentação Lineares Introdução

Fontes de Alimentação Lineares

Transformador Rectificador Filtro Regulador 220 V

AC 50 Hz

Saída DC

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Fontes de Alimentação Lineares Princípio de Funcionamento

Princípio de Funcionamento

Componente Função

Transformador Reduz a tensão AC

Rectificador Converte tensão AC em DC pul-sante (díodo)

Filtro Transforma a tensão DC pulsante em tensão com pequena ondu-lação (ex. condensador)

Regulador Idealmente. transforma a tensão de ondulação em tensão DC pura (ex. zener)

Fontes de Alimentação Lineares Rectificadores

Rectificador de Meia Onda

Utiliza um díodo normal;

Apenas um semiciclo da tensão de entrada é aproveitado;

Quando a tensão de entrada é positiva, o díodo está polarizado directamente e conduz corrente para a carga;

Quando a tensão de entrada é negativa, o díodo está polarizado inversamente e não conduz;

A tensão inversa de pico (PIV) é tensão máxima admissível aos terminais do díodo sem que este se danifique. (Meia-onda: PIV = V_E_p)

V

_E

_V

S

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Transformador e Rectificador de Meia Onda

V

_E

_V

S

R

_L

N

_P

:N

_S

V

₂ Exemplo

Determinar a tensão de pico da saída quando a tensão de pico a pico da entrada é de 440 V e a relação de transformação é 2. O díodo é de Silício. V_D = 0.7 V V_E_p = 440/2 = 220 V V_E V₂ = N_E N_S => V2p = 220( 1 2) = 110 V V_S_p = V₂_p − V_D = 109.3 V

Rectificadores de Onda Completa

Utilizam dois ou quatro díodos normais;

Mais utilizado que o rectificador de meia onda;

Cada ciclo da tensão de entrada é completamente aproveitado; Tipicamente são utilizados dois circuitos: 1) dois díodos e um transformador com derivação central e 2) 4 díodos em ponte de Graetz e um transformador sem derivação central.

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Rectificador de Onda Completa: Derivação Central (1)

V_S1 e V_S2 têm a mesma amplitude mas estão em oposição de fase;

Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, D₁ está polarizado directamente e o D2 inversamente;

A situação inverte-se durante o semiciclo negativo. Quando o díodo D₁ conduz, o D₂ está a corte e vice-versa;

A tensão de saída é sempre metade da tensão total do

secundário menos a queda de tensão aos terminais do díodo (Vs = V2p/2 − VD). A tensão inversa de pico (PIV) dos díodos é

determinada por (PIV = 2V_S_p − VD).

V_E V_S R_L N_P:N_S D₁ D₂ V_S1 V_S2

Rectificador de Onda Completa: Derivação Central (2)

Exemplo

a)Mostrar as formas de onda da tensão aos terminais de cada metade do secundário e na carga. b)Qual a especificação mínima para a

tensão inversa de pico (Peak Inverse Voltage - PIV) dos díodos

(silício)? A tensão de entrada é uma sinusóide cujo valor eficaz é de 240 V. O número de espiras do primário é 400, enquanto que o do secundário é 100.

a) A tensão total (pico) no secundário é V2p = VEp(NS/NP) = 240

√

2(100/400) ≈ 85 V . Portanto, há 42.5 V em cada metade do secundário.

b) PIV = V₂_p − V_D = 2V_S_p − V_D = 84.3 V

V_S1 V_S

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Rectificador de Onda Completa: Ponte de Graetz

Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, os díodos D₁ e D₂ estão polarizados directamente e portanto, conduzem. D₃ e D4 não conduzem;

Durante o semiciclo negativo da tensão de entrada, os díodos D₃ e D4 estão polarizados directamente e portanto, conduzem. D1 e

D₂ não conduzem; PIV = V₂_p − V_D V E V S R L N P:NS D 1 D 3 D 4 D 2 VS= V2- 2VD V 2

Rectificadores de Meia Onda e Onda Completa:

Tensão DC

A tensão DC (valor médio) é obtida a partir da área por baixo da curva durante um ciclo inteiro;

V_DC = área/período Meia Onda V_DC = área 2π = Rπ 0 Vpsin θd θ 2π = Vp[−cos θ]π₀ 2π = Vp π Onda Completa V_DC = 2Vp/π Exemplo

Determinar a tensão DC à saída de um rectificador de meia onda, quando a amplitude é 30 V.

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Fontes de Alimentação Lineares Filtro

Filtro

O papel do filtro é transformar a tensão DC pulsante, proveniente do rectificador, em tensão com pequena ondulação (ripple).

Como consequência, a tensão DC aumenta; Tipicamente é utilizado um condensador;

Durante o semiciclo positivo, o condensador carrega até atingir o pico da tensão aos seus terminais. Quando esta começa a

diminuir, o díodo fica inversamente polarizado, e portanto o condensador descarrega para a carga;

O tempo de descarga é dado por R_LC (constante de tempo).

V

_E

_V

S

R

_L

N

_P

:N

_S

V

₂

_C

Ondulação

Tensão de Ondulação

Variação da tensão de saída devido à carga e descarga do condensador;

Quanto menor a ondulação melhor o desempenho do filtro;

A frequência na saída de rectificador de onda completa é o dobro da de um de meia onda. Portanto, num rectificador de onda

completa temos menos ondulação e maior tensão DC.

0 V

_DC

_V

rpp

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Derivação da Tensão de Ondulação

Derivação Q = CVrpp, Q = IDCT , CVrpp = IDCT , Vrpp = IDCT /C I_DC = V_DC/RL Vrpp = V_DC CfR_L

Assumindo onda triangular (tempo de carga = 0 e descarga linear): V_DC = Vp − Vrpp/2

Vrpp =

2Vp

1 + 2CfR_L

Factor de Ondulação: Indicador de Desempenho do Filtro

r = VrRMS V_DC

Cálculo da Tensão de Ondulação

Exemplo

Determina a tensão de ondulação pico a pico, a DC e o factor de

ondulação (rectificador de onda completa em ponte). V_E (RMS) = 220 V, f = 50 Hz, C = 10 µF, R_L = 25 kΩ, a=10, V_D = 0.7V Vp = (220 √ 2)/10 − 2V_D = 29.7V Vrpp = _1+2CfR2Vp L = 1.16V V_DC = Vp − Vrpp/2 = 29.13V r = (Vp/ √ 3)/V_DC = 0.59

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Fontes de Alimentação Lineares Reguladores Lineares de Tensão DC

Reguladores Lineares de Tensão DC

Dividem-se em: Série e Shunt/Paralelo.

Um regulador de tensão consiste basicamente numa fonte de tensão de referência, num detector de erro, um elemento de amostragem, e um elemento de controlo;

O díodo de Zener é um exemplo de um regulador linear de tensão shunt.

Regulação de Linha e de Carga

Regulação de Linha (RL)

Consiste em manter a tensão de saída do regulador praticamente constante quando a tensão de entrada varia. Tipicamente é definida como a variação percentual da tensão de saída (V_S) dada uma

variação na tensão de entrada (VE).

RL = (∆VS/VS)100

∆V_E [%/V ]

Regulação de Carga (RC)

Consiste em manter a tensão de saída praticamente constante, quando a carga varia. É obtida a partir da variação percentual da tensão de saída desde o vazio (NL-No Load) até à plena carga (FL-Full Load).

RC = (VNL − VFL)100 VFL

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Exemplos

Exemplo: Regulação de Linha

Quando a tensão de entrada de um regulador de tensão baixa 2 V, a sua saída baixa 0.1 V. A tensão nominal de saída é 6 V. Determine a regulação de linha.

RL = [(0.1/6)100]/2 = 0.83%/V

A tensão de saída varia 0.83 % do seu valor nominal quando a tensão de entrada aumenta ou diminui um volt.

Exemplo: Regulação de Carga

A saída de um regulador de tensão em vazio é 12 V. Em plena carga, cuja corrente é 10 mA, a sua tensão é 11.95 V. Determine a regulação de carga.

RC = [(12 − 11.95)100]/11.95 = 0.418% ou 0.0418%/mA

Díodo de Zener

Díodo concebido para funcionar com polarização inversa;

Se for ligado com polarização directa, funciona como um díodo normal;

O declive da recta que passa pelos pontos (ZK , ZT e ZM) é dado por 1/R_Z (R_Z = 0 no zener ideal);

A tensão V_Z varia pouco entre o ponto ZK (valor mínimo da corrente inversa) e ZM (valor máximo).

V

_Z

I

_Z Polarização Inversa Polarização Directa

I

_ZT

V

_ZT

I

_ZK

I

_ZM Tensão de Ruptura

R

_Z

V

_Z

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Exemplos

Exemplo 1

A tensão de um díodo de zener (V_Z) varia 60 mV devido a uma

variação de 3 mA em I_Z, na zona linear da curva característica, entre I_ZK e I_ZM. Qual é a resistência do zener?

R_Z = ∆V_Z/∆I_Z = (60 × 10−3)/(3 × 10−3) = 20 Ω

Exemplo 2

A resistência de um zener é 10 Ω. A folha de dados (datasheet)

informa que a tensão de teste VZT é 6.8 V, IZT = 25mA, IZK = 1mA, e

I_ZM = 50mA. a) Qual a tensão aos terminais do zener V_Z quando a corrente é 35 mA? b) E quando esta é 5 mA?

a) V_Z = V_ZT + ∆V_Z = 6.8 + 10(35 − 25) × 10−3 = 6.9 V

b) V_Z = 6.8 + 10(5 − 25) × 10−3 = 6.6 V

Díodo de Zener como Regulador de Tensão

O zener mantém relativamente constante a tensão aos seus terminais, quando a tensão de entrada varia;

A variação da tensão de entrada implica variação da corrente no zener. Portanto, os limites na variação da tensão de entrada são impostos pelos valores mínimos e máximos da corrente no zener (I_ZK e I_ZM);

A resistência R_S opera como limitador de corrente;

R

_S

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Zener como Regulador de Tensão: Exemplos (1)

Exemplo 1: Variação da Tensão de Entrada

Um díodo de zener (V_Z = 12 V ) regula a tensão de saída, quando a corrente varia entre 5 mA e 50 mA. A resistência série é de 1.2 kΩ. Determinar o intervalo da tensão de entrada para o qual o díodo consegue regular.

V_RS_min = I_Z_minR_S = 6 V => V_E_min = V_RS_min + V_Z = 18 V V_RS_max = IZmaxRS = 60 V => VEmax = VRSmax + VZ = 72 V

O zener regula uma tensão de entrada que pode variar entre 18 V e 72 V, mantendo a saída relativamente constante a 12 V.

Zener como Regulador de Tensão: Exemplos (2)

Exemplo 2: Variação da Tensão de Entrada

Determinar a mínima e máxima tensão de entrada que pode ser

regulada por um díodo de zener, quando I_ZK = 1.5 mA, I_ZM = 20 mA, VZT = 5.5 V , IZT = 10 mA, RS = 620 Ω e RZ = 15 Ω.

VE_min = RSIZK + [VZ_min] = RSIZK + [VZT + RZ(IZK − IZT)] =

0.93 + 5.37 = 6.3 V

V_E_max = R_SI_ZM + [V_Z_max] = R_SI_ZM + [V_ZT + R_Z(I_ZM − I_ZT)] = 12.4 + 5.65 = 18.1 V

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Zener como Regulador de Tensão: Exemplos (3)

Exemplo 3: Variação da Carga

a) Determinar as correntes de carga miníma e máxima para as quais um díodo de zener mantém a regulação da tensão. b) Qual a

resistência de carga mínima que pode ser usada. Sabe-se que V_Z = 10 V , I_ZK = 2 mA, I_ZM = 80 mA, R_Z = 0 Ω, V_E = 20 V , R_S = 420 Ω.

a) Se I_L = 0 A, I_Z_max = I_T = (V_E − V_Z)/R_S = 23.81mA. Valor muito inferior a IZM, portanto 0 A é um valor mínimo aceitável para IL.

ILmax = IT − IZK = 21.81 mA

b) RL_min = VZ/ILmax = 458.5 Ω

Reguladores Lineares de Tensão DC: Série

O elemento de controlo (ex:transístor) está em série com a carga; O divisor de tensão é sensível à variação da tensão de saída; O detector de erro (ex: Ampop) controla o transístor;

Tensão de saída depende principalmente de R₂, R₃ e da tensão de referência. Controlo D iv is o r T e n s ã o Detector Erro R e fe rê n c ia V E V S R L R 3 R 2 R 1 V_S V_Ref ≈ Acl V_S ≈ 1 + R2 R3 V_Ref

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Reguladores Lineares de Tensão DC: Shunt

O elemento de controlo (ex:transístor) está em paralelo com a carga;

Operação semelhante à do regulador série, excepto que a regulação é obtida controlando a corrente do colector; Menos eficiente que o regulador série, mas protege contra curto-circuitos (R₄); C o n tr o lo D iv is o r T e n s ã o Detector Erro R e fe rê n c ia V E VS R L R 3 R 2 R 1 R 4

Fontes de Alimentação Comutadas Introdução

Fontes de Alimentação Comutadas

Compostas pelos mesmos componentes das fontes lineares, mas o regulador de tensão é comutado;

Variam o ciclo de trabalho, a frequência ou a fase das comutações para controlar a tensão de saída;

A frequência de comutação varia tipicamente entre 30 kHz e 150 kHz. A selecção depende da aplicação;

As harmónicas (múltiplos da frequência de comutação) não devem interferir com a carga;

A comutação permite menor dissipação de potência e portante maior eficiência.

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Fontes de Alimentação Comutadas Reguladores Comutados

Reguladores comutados

Dividem-se básicamente em: Redutores, Elevadores e inversores; Nos reguladores lineares o elemento de controlo está sempre a funcionar. Enquanto que nos comutados funciona como um interruptor;

Os reguladores comutados são mais eficientes, mais compactos, mas são particularmente utilizados em aplicações de baixa

tensão e corrente alta;

Reguladores Comutados: Redutores (1)

A Tensão de saída é sempre inferior à de entrada;

O Transístor é utilizado para comutar a tensão de entrada a um ciclo de trabalho que depende da carga;

Os componentes L e C filtram a tensão comutada;

V

_E

V

_S

R

_L

R

₃

R

₂

R

₁

L

D

₂

D

₁

_C

Q

Oscilador Variável de Largura de Pulso

V

_S

=(T

_ON

/T)V

_E

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Reguladores Comutados: Redutores (2)

As perdas em Q são relativamente pequenas, visto que este ou está ligado ou desligado;

O condensador carrega quando Q está ligado e descarrega quando Q está desligado;

Quanto mais tempo ligado, maior a carga de C e portanto maior a tensão de saída. Assim, variando o ciclo de trabalho

(ligado/período) de Q, controla-se a tensão de saída;

Se V_S diminui, aumenta-se o tempo em que Q está ligado, aumentando a tensão de saída;

Reguladores Comutados: Redutores (3)

0 V

_DC

t

0 V

_DC

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Reguladores Comutados: Elevadores

A Tensão de saída é superior à de entrada;

D₂ V_E R₃ L R₁ _R L D₁ Q C R₂ V_S Oscilador Variável de Largura de Pulso

Reguladores Comutados: Inversores

V

_E

V

_S

R

_L

R

₃

R

₂

R

₁

L

D

₂

D

₁

C

Q

Oscilador Variável de Largura de Pulso

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Comparação entre Fontes de Alimentação DC

Linear Comutada Comentário

Volume + – Frequência aumenta, mais capacidade ou transfor-mador menor Peso + – Transformador Ruído eléctrico – – – Ondulação – – + Complexidade – + Custo – +

Eficiência – ++ Transístor como uma re-sistência variável

Regulação – + Variação da tensão de en-trada

Interferência – – + Comutação => EMI

Reguladores de Tensão DC em Circuito Integrado

Os circuitos integrados (CI) dos reguladores lineares possuem normalmente 3 terminais. Regulam tensões negativas e positivas, sendo estas fixas ou variaveis;

A série 7800 (ex: 7805, +5V) de reguladores lineares de tensão DC é muito comum para regular tensões fixas, positivas.

Enquanto que a 7900 (ex: 7915, –15V) para tensões negativas; Os terminais são: entrada, massa, e saída;