Fonte de alimentação elétrica – ABC Parte 2 ( Continuação ) . Este arquivo está dividido em duas partes. Clique aqui para assistir a Parte 1 desta matéria

 

Fonte de alimentação elétrica

Exatidão de programação

Esta especificação indica a precisão da saída da fonte de alimentação elétrica em relação aos valores programados pelo usuário. Quando um valor de 10.000 V é programado, quanto realmente a fonte fornecerá? Exatamente 10.000V, 10.001V ou 9.990V?

Esta especificação pode ser mostrada como uma porcentagem do fundo de escala, como por exemplo “0.1% da Vmax” ou como uma porcentagem e um deslocamento na forma “0.06% + 25 mV”. Esta última representação fornece uma representação melhor dos valores em toda a faixa de tensões. Embora a indicação “±” geralmente não seja mostrada, deve se considerar a faixa positiva e negativa da especificação.

 

Exatidão de medida ou leitura

Se a fonte de alimentação elétrica possuir funções de medidas em seu painel frontal, deverá haver também uma especificação de precisão de medida. Da mesma forma que a exatidão de programação essa especificação poderá aparecer como uma porcentagem do fundo de escala ou como uma porcentagem e um deslocamento.

 

Temperatura

Como os componentes usados em uma fonte de alimentação elétrica são sensíveis a temperatura, não deveria ser surpresa, que a fonte como um todo, seja também influenciada pela temperatura. As fontes modernas de qualidade de laboratório, possuem coeficientes de temperatura abaixo de 0,05% por ºC. O coeficiente de temperatura (TC- Temperature Coefficient) é uma alteração relativa de uma propriedade física (tensão, resistência, etc.) quando a temperatura muda em 1 grau Celsius. No caso de fontes de alimentação, indica quanto a saída de tensão varia para uma variação de 1 ºC. É especificado dentro da faixa de temperatura de operação da fonte, normalmente de 0 a 40 ºC e assume que a carga seja constante e não haja variação na linha AC.

 

Entrada AC

Fontes de alimentação de potências maiores, podem ser alimentadas por redes de energia trifásica. Estes modelos podem ser mais econômicos e eficientes do que aqueles alimentados pela rede tradicional monofásica, porém irão apresentar frequências de ripple mais altas.

Isolação: especificada como a tensão DC ou AC que pode ser aplicada entre a entrada e a saída da fonte, sem causar falhas. Valores típicos estão entre 500 e 1500 V. A isolação da fonte de alimentação entre a entrada e saída ou chassis depende da isolação de seu transformador. Algumas fontes de alimentação possuem capacitores de valores elevados para filtragem na entrada. Na prática, eles se comportam como um curto para ponte retificadora quando a fonte é energizada. Em alguns modelos são projetados circuitos para minimizar a corrente de partida (inrush) ou drena-la gradativamente ao longo do tempo (também conhecido pelo termo “soft start”).

A especificação de holdover (termo em inglês que pode ser traduzido como “manter como reserva”) define o tempo em que a fonte mantém sua saída regulada, após cortar sua entrada AC. A energia armazenada nos capacitores de filtragem, é usada para manter a saída regulada, durante o período que a entrada AC estiver desativa.

A medida que o custo da energia aumenta, a eficiência das fontes de alimentação se torna mais importante. Eficiência neste caso é definida como a potência de saída dividida pela potência de entrada e será sempre menor do que 100%. As fontes mais eficientes podem chegar a valores ao redor de 90%. As fontes lineares são normalmente menos eficientes que as fontes chaveadas.

 

Exatidão de Rastreamento (Tracking)

Algumas fontes de alimentação com duas ou mais saídas, podem ter uma característica conhecida pelo termo inglês como “tracking”, que pode ser traduzido como rastreamento, significando no contexto a que se aplica, como que acompanha a outra saída. Quando apresentam essa funcionalidade, uma das saídas da fonte irá acompanhar a configuração da outra. Esta característica será muito útil para circuitos que tenham que ser alimentados por tensões positivas e negativas simétricas. A especificação de exatidão do tracking, indicará a precisão que a segunda saída acompanha a primeira.

 

Isolação DC

Isolação DC indica quanto os terminais positivo e negativo podem flutuar acima ou abaixo do nível de referência terra da linha de alimentação AC. Esta especificação geralmente inclui a saída de tensão da fonte. É muito importante não exceder a especificação, pois a não observação desta, poderá causar ruptura do dielétrico de algum dos componentes internos e expor o usuário a tensões perigosas.

É comum trabalhar com duas fontes conectadas em série para obtenção de tensões mais altas, do que aquelas que poderiam ser fornecidas individualmente. Considere por exemplo o seguinte circuito:

fig30A

A tensão VSAÍDA será a soma das tensões configuradas na fonte 1 com a fonte 2. A corrente não poderá exceder aquela especificada para a fonte com menor capacidade de corrente. Para certificar-se estar dentro da especificação, verifique que nenhuma das tensões, em qualquer um dos cabos externos com respeito ao terra da rede, seja maior do que a isolação DC especificada.

 

Aplicação

Usando uma fonte de alimentação elétrica para gerar um deslocamento DC

em um gerador de funções

Se um gerador de funções não possuir a capacidade de fornecer um deslocamento DC, uma fonte de alimentação elétrica poderá ser usada por obter essa funcionalidade. É importante verificar as especificações de isolação DC na fonte de alimentação e verificar que o gerador de funções permita esse modo de operação. Será necessário também um gerador em que os terminais de saída (geralmente um conector BNC) sejam isolados do nível de referência terra. Caso não o seja, o instrumento poderá ser isolado da linha de alimentação por um transformador de isolação. Nestes casos, precauções adicionais devem ser tomadas, pois o chassis de metal do instrumento poderá ser elevado a potenciais acima do nível, com risco de choque elétrico aos usuários. O método de conexão é mostrada na figura abaixo.

Com esta configuração o sinal gerado poderá ser inserido em um circuito que necessite uma polarização acima ou abaixo do nível de referência terra. Cuidado especial deve ser tomado para não exceder a capacidade de corrente de gerador de funções.

fig31

Figura 31 – Fornecendo deslocamento de tensão em um gerador

 

Fonte de alimentação elétrica questões e sugestões

Como é medida a eficiência de uma fonte de alimentação elétrica ?

Para uma fonte de alimentação DC típica, deverá ser medida a potência da entrada AC e a potência na saída DC como indica a Figura 32 abaixo:

fig32

Figura 32 – Medindo eficiência em uma fonte de alimentação

 

Provavelmente o melhor instrumento para efetuar a medida de potência AC sendo usada pela saída DC seja um osciloscópio. Será necessário medir a tensão e corrente AC entrando na fonte. Uma ponta de prova de corrente e uma ponta de prova diferencial para medir a tensão, deverão ser usadas. A forma de onda de potência pode ser obtida usando a função matemática de multiplicação, disponível em diversos osciloscópios.

Para medir a potência consumida pela carga, poderão ser usados os medidores de tensão e corrente da própria fonte de alimentação. Uma carga eletrônica DC conectada a saída da fonte, pode também ser usada para confirmar os valores verificados na fonte.

A medida de eficiência em porcentagem será então:

 

Eficiência  = 100 ? ???? / ???

onde Pin é a potência de entrada AC medida e Pout é a potência de saída medida,

ambas na mesma unidade de potência.

 

Porque variações tão altas nos preços de uma fonte de alimentação elétrica entre os diferentes fabricantes?

Pergunta semelhante poderá ser feita sobre diferentes marcas de automóveis. As respostas serão similares. Existem diversos fatores que diferenciam os produtos, entre eles poderão se verificar:

  • Reputação do fabricante
  • Sofisticação do projeto
  • Número e tipos de unidades que competem

Certificações (por exemplo: segurança, interferência eletromagnética, etc.)

  • Confiabilidade do projeto (e testes de qualidade efetuados)
  • Qualidade dos componentes usados na fabricação
  • Número de características diferentes

Um fator a ser avaliado (válido para qualquer instrumento) é o custo ao longo do tempo e não só no momento da aquisição. Nestes custos devem ser considerados, os valores anuais de calibração, quanto custará o reparo em caso de falhas e até as perdas por ficar sem o instrumento, ou ainda a substituição caso não seja viável o reparo ou o fornecedor não tenha um laboratório de reparos no local. Ao longo do tempo, esses fatores podem causar que os custos excedam em muito o valor inicial e devem ser considerados para que não ocorram perdas a médio ou longo prazo.

 

Qual fonte de alimentação elétrica é melhor: chaveada ou linear?

Vários fatores devem ser analisados e a melhor escolha está relacionada a diversos aspectos. A tabela abaixo pode fornecer os principais pontos a serem considerados:

 

Tipo Pontos Fortes  Pontos Fracos
Linear Baixo ruído e baixa inteferencia eletromagnética no ambiente onde inserida Baixa eficiência (em média de 30-40% )
Boa regulação de linha e de carga Pesadas (transformador)
Rápida resposta a transientes Grandes dissipadores de calor
Pode fornecer correntes baixas Mais caras para potências mais alta
Chaveadas Alta eficiência (média de 75% com alguns modelos chegando  95%) Não podem fornecer baixas
tensões e possuem um limite
de mínimo de corrente
Preços mais acessíveis para potências mais altas Maior ruído (incluindo impulso e perturbações eletromagnéticas
Mais leves Resposta a transientes muito mais lenta quando comparada com as lineares

 

Atualmente tem se verificado tecnologias híbridas, usando circuitos lineares e chaveados. O principal objetivo desses novos modelos é combinar os pontos fortes de ambas tecnologias.

 

O que é crowbar?

É um circuito de proteção usado nas fontes de alimentação (geralmente um componente SCR) que coloca em curto suas saídas, quando a tensão ultrapassa um nível pré configurado. Veja a seção “Saída” em “Especificações das Fontes de Alimentação”.

 

Qual é a melhor maneira de testar uma fonte de alimentação elétrica sob carga?

Certamente, uma excelente maneira é testa-la com a carga que deve alimentar, se isto for possível. Entretanto, isto pode não estressar a fonte o suficiente para verificar o quanto ela é confiável e robusta para diferentes aplicações. A ferramenta ideal para verificar as especificações de uma fonte de alimentação é uma carga eletrônica DC. Ela pode ser configurada para aplicar diferentes condições de carga estressando a fonte para as diversas aplicações que foi projetada.

 

Como medir ripple e ruído?

Isto poderá ser feito com um osciloscópio. Vários fatores devem ser considerados – veja a seção “Ripple e ruído” em “Especificações das Fontes de Alimentação” descritas anteriormente neste documento.

 

Resistência dos cabos e contatos

Resistências de contato em junções mal feitas ou conexões mecânicas inapropriadas, podem aparecer como cargas adicionais da ordem de centenas de miliohms. Estas podem tornar-se críticas especialmente em aplicações de alta

corrente.

Um cabo de cobre de bitola de 10 AWG, terá uma resistência interna de aproximadamente 3,27Ω/km. Para um circuito que use 10m de cabo, a resistência deste, será de aproximadamente 33mΩ. Uma conexão que tenha 100mΩ, consumirá mais de 75% da resistência total, assim como, um desperdício de 75% da potência, que seria consumida no cabeamento.

Junções mal feitas, são fáceis de encontrar, caso seja possível acesso ao cabeamento de conexão com a carga. Um multímetro digital poderá ser usado, para medir a queda de tensão nas junções (cuidado deve ser tomado quando tensões elevadas estão presentes nos condutores). Conhecendo a corrente (poderá ser medida com um alicate amperímetro caso a fonte não tenha medidores de corrente em seu painel frontal), será possível determinar a resistência da junção. Se os condutores são isolados, acessórios de pontas que perfurem a isolação, como o CT3044 da CalTest Electronics, poderão ser utilizados. Se usar esses acessórios, considere desligar a fonte de alimentação antes de conecta-los aos condutores. Um arco acidental poderá danificar seus terminais além de significar um risco potencial a segurança.

 

Fonte de alimentação elétrica , ela pode ser conectadas em paralelo?

Se a carga demanda N fontes de alimentação elétrica para operação, é aconselhável utilizar N+1, como prevenção a falhas. Diodos podem ser usados para isolar as fontes (são opcionais, importante sempre consultar as especificações do fabricante). As fontes podem ter entradas de controle que quando interligadas podem alimentar a carga de forma inteligente. A exigência é que cada fonte tenha a mesma tensão de saída, de forma que compartilhem a carga da mesma forma. O cabeamento deverá ser o menor possível e sempre ter comprimentos idênticos entre as fontes e carga.

fig33

Figura 33 – Fontes de alimentação em paralelo

 

Glossário

AC (Alternating Current): Corrente Alternada, usa-se também em português a sigla . Descreve a tensão ou corrente que variam sua amplitude, normalmente na forma senoidal, ao longo do tempo. Usada universalmente para distribuição de energia elétrica.

Acoplamento capacitivo: Dois condutores separados sempre formam um capacitor. Quanto mais próximo estiverem, maior é a possibilidade de alterações de tensão em um deles, induzirem eletroestaticamente o outro. O acoplamento capacitivo é a transferência de energia de um condutor para o outro.

Acoplamento indutivo: Quando existe uma alteração na corrente fluindo em um condutor, uma tensão é induzida em outro condutor próximo, devido ao campo magnético causado pela variação de corrente.

Blackout (Queda de Energia): Termo em inglês que identifica a falta de energia elétrica AC.

Brownout: Termo em inglês que identifica uma redução planejada da energia elétrica AC para controlar uma demanda excessiva em certa região.

Carga Eletrônica: Tipo de instrumento que opera como uma carga, normalmente dinâmica, e que pode ser usado para testar fontes de alimentação elétrica ou qualquer dispositivo que forneça energia.

Carga mínima: Se especificada para uma fonte de alimentação elétrica , identifica o menor valor de corrente fornecido pela fonte, para que atenda suas especificações de desempenho.

Corrente de Partida (Inrush current): Quantidade de corrente drenada por uma fonte de alimentação elétrica na inicialização. Geralmente várias vezes maior que a corrente drenada no estado de operação regular.

DC (Direct Current): Corrente Continua, usa-se também em português a sigla CC. Usado para descrever um valor de tensão ou de corrente constantes.

Drift: Termo inglês que identifica uma lenta variação no tempo da tensão ou corrente de saída de uma fonte de alimentação elétrica.

Eficiência: Medida como uma porcentagem. É a relação entre a quantidade de potência fornecida pela fonte de alimentação e a quantidade de potência consumida por ela de um sistema que a alimente.

EMI: Interferência Eletromagnética (Electromagnetic Interference).

ESR (Equivalent Series Resistance): Resistência Equivalente em Série. O modelo teórico de um capacitor ou de um indutor, coloca em série com uma reatância pura uma resistência. Essa resistência, presente na prática na construção dos capacitores é chamada de ESR. Normalmente é medida em capacitores eletrolíticos. Um alto valor de ESR indica um capacitor ruim.

Faixa de temperatura: Indica a faixa de temperaturas que uma fonte de alimentação é especificada para operar.

Fator de crista (Crest factor): Em uma forma de onda AC, fator de crista é a razão entre os valores de pico e RMS (valor médio eficaz).

Fator de potência: Definido pela razão da potência real ou potência ativa pela potência total ou potência aparente. Determina quanta corrente é solicitada para produzir uma determinada quantidade de potência. O valor ideal para essa razão é sempre o mais próximo de 1.

Fonte de corrente constante: Fonte de alimentação elétrica regulada que fornece uma corrente constante independente das variações de resistência da carga. A fonte de alimentação elétrica deve sempre obedecer a lei de Ohm.

Fonte de tensão constante: Fonte de alimentação elétrica regulada que fornece uma tensão constante independente das variações de resistência da carga, até o seu limite de corrente.

Impedância de saída: É a oposição a uma corrente alternada em uma determinada frequência, apresentada pelos terminais de saída de uma fonte, como resultado de sua resistência, indutância e capacitância. O modelo teórico dessa impedância, a coloca em série com uma fonte de tensão ideal, ou em paralelo com uma fonte de corrente ideal.

Inversor: Dispositivo elétrico usado para converter energia DC (continua) em AC (alternada).

Limite de Corrente: Valor limite de corrente que uma fonte de alimentação elétrica pode fornecer. Quando esse limite é atingido, uma fonte de alimentação do tipo CV/CC irá alternar entre a operação de tensão e corrente constante. Este ponto é conhecido também como crossover.

Operação em paralelo: Característica encontrada em diversas fontes de alimentação elétrica com duas ou três saídas. Este modo de operação, permite que duas ou mais saídas independentes, sejam conectadas em paralelo para aumentar a corrente na saída.

Operação em série: Característica encontrada em diversas fontes de alimentação elétrica com duas ou três saídas. Este modo de operação, permite que duas ou mais saídas independentes, sejam conectadas em série para aumentar a tensão na saída.

PARD (Periodic And Random Deviations): Termo também usado para designar o ripple e ruído na tensão de saída das fontes. Indicam uma variação do valor desejado de tensão.

Potência ativa: Também chamada de potência real é a potência que efetivamente realiza trabalho. Medida em watts.

Potência aparente: É a potência total fornecida incluindo a potência ativa e a potência reativa. Medida em VA (volt-amps).

Proteção contra sobre carga (Overload Protection): Característica encontrada na maioria das fontes de alimentação DC, que impede que qualquer dispositivo drene mais potência do que a fonte é capaz de fornecer.

Proteção contra sobre tensão (Overvoltage protection – OVP): Tipo de proteção que limita a tensão máxima na saída da fonte de alimentação elétrica .

Proteção térmica: Proteção contra temperaturas elevadas que poderiam danificar a fonte de alimentação.

PWM (Pulse Width Modulation): Modulação por largura de pulso.

Regulação de linha: Quanto a tensão ou corrente de saída variam, quando a tensão AC que alimenta a fonte de alimentação elétrica , varia dentro de uma dada faixa. Normalmente especificada como uma porcentagem da tensão ou corrente máxima. Um valor de 0% significaria regulação de linha perfeita.

Regulação de carga: Quanto a tensão ou corrente de saída variam, quando a fonte de alimentação elétrica passa do estado sem nenhuma carga para carga máxima suportada. Normalmente especificada como uma porcentagem da tensão ou corrente máxima. Um valor de 0% significaria regulação de carga perfeita.

Resolução: A menor variação de tensão ou corrente que pode ser ajustada através dos controles da fonte de alimentação.

Ripple de corrente: Parte da corrente AC não filtrada, presente na saída de uma fonte de alimentação elétrica regulada.

Ripple de tensão: Parte da tensão AC não filtrada e ruído presentes na saída de uma tensão regulada operando com sua máxima carga. Geralmente especificado em valores de tensão AC RMS (valor médio eficaz), com um valor de ripple igual a zero identificando uma saída da fonte perfeitamente filtrada RMS (Root Mean Square): Valor médio eficaz é uma medida estatística da magnitude de uma quantidade variável. O nome deriva do fato de que é a raiz quadrada da média aritmética dos quadrados dos valores. Na prática o valor médio eficaz de uma corrente alternada seria aquele equivalente a um valor de corrente contínua em quantidade capaz de transferir a mesma potência a uma carga.

Sensoriamento remoto: Funcionalidade disponível em alguns modelos de fontes de alimentação, onde a tensão é medida no ponto de conexão com a carga, a fim de ajustar seu valor na saída para que compense, as perdas nos condutores devido a sua resistência interna.

Sobretensão (Surge): Um aumento momentâneo na tensão AC da rede.

Tempo de recuperação a transientes (Transient recovery time): A quantidade de tempo necessária para uma fonte retornar sua tensão de saída ao valor desejado, após uma alteração abrupta na carga.

Terra (Ground): O terra elétrico em um sistema de energia AC é um condutor conectado a um nível de referência terra. A razão principal é evitar qualquer risco de choque elétrico aos usuários.

 

Siglas comuns em inglês

AC – Alternating Current: Corrente Alternada

DC – Direct Current: Corrente Continua

OCP – Overcurrent protection: Proteção contra sobre corrente

OPP – Overpower (overload) protection: Proteção contra sobre carga

OTP – Overtemperature protection: Proteção contra sobre temperatura

OVP – Overvoltage protection: Proteção contra sobre tensão

PARD – Periodic And Random Deviations: Especificação de ripple e ruído

PLD – Power Line Disturbance – Perturbações da rede de alimentação AC

PSU – Power Supply Unit: Fonte de alimentação

SCP – Short circuit protection: Proteção contra curto circuito

SCPI – Standard Commands for Programmable Instruments – Linguagem de

comandos para instrumentos de teste e medição

SMPSU – Switch-Mode Power Supply Unit: Fonte de alimentação chaveada

UVP – Undervoltage protection: Proteção contra sob tensão

UPS – Uninterruptable Power Supply: Sistema de alimentação ininterrupta

 

Fonte de alimentação elétrica é na PerCon

Fonte de alimentação elétrica e outros produtos de teste e medição  podem ser encontrados na PerCon Tecnologia que atua como canal de distribuição dos melhores fabricantes mundiais  e é sediada na Rua Dias da Cruz 188 – Sub solo – Méier (percon@acessopercon.com.br) / Fone : 21-2596-8369

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