Fontes de alimentação estão entre os instrumentos de teste e medição mais usados no mercado. Isto não é surpresa, pois a energia elétrica controlada é usada de inúmeras maneiras. Neste guia, estaremos analisando os diversos tipos de fonte de alimentação usadas em bancada, suas especificações, seus controles, como opera-las e algumas aplicações mais comuns.
Fontes de alimentação elétrica
Uma fonte de alimentação pode ser definida como qualquer elemento que forneça energia, como por exemplo uma hidro elétrica, um motor de combustão interna ou uma bomba hidráulica. Entretanto estaremos aqui limitando nossa discussão aos tipos de fontes de alimentação que são usadas principalmente em atividades de testes e medições, nas aplicações de manutenção ou desenvolvimento de novos produtos. Estas fontes são normalmente denominadas de fontes de alimentação de bancada.
Este documento é direcionado aos usuários ou potenciais usuários de fontes de alimentação. Seu objetivo é definir os termos usados, apresentar os diferentes tipos de fontes e as tecnologias por trás delas, explicar seus controles e dar alguns exemplos práticos de seu uso.
Apresentamos a seguir uma tabela com os diferentes tipos de fontes de alimentação. Estaremos focando nos tipos que aparecem em negrito.
| Saída = DC | Saída = AC | ||
| Entrada = AC | Carregadores para ligar à tomadas , fonte de alimentação de bancada e carregador de bateria | Transformador de Isolação , fonte AC variável e inversor de frequência | |
| Entrada = DC | Conversor DC-DC | Gerador inversor | |
O termo “fonte de alimentação de bancada” é usado aqui de forma genérica, pois algumas fontes de alimentação que estaremos discutindo, podem ser grandes e pesadas para serem usadas em uma bancada. Ainda assim, a nomenclatura é coerente, pois mesmo de tamanho maior, fontes de alimentação de alta potência apresentam diversos aspectos em comum com modelos de menor tamanho.
Após uma análise inicial das fontes de alimentação alternadas ou AC, o restante deste documento, estará tratando de fontes de alimentação contínua ou DC, usadas em bancadas.
Fonte de alimentação AC variável
Ao testar equipamentos elétricos que são geralmente energizados por rede de alimentação alternada, é importante avaliar o seu comportamento sob condições de baixa ou alta tensão de entrada. As variações normais da linha de entrada AC são da ordem de ±10%, porém podem ser maiores quando inúmeras cargas são conectadas simultaneamente na mesma linha de alimentação. O projetista pode também desejar testar o equipamento além das variações normais de linha AC, a fim de verificar o comportamento sob condições mais severas (isto ajudará encontrar limitações do projeto). Uma fonte de alimentação AC variável é necessária para esse tipo de teste. Uma fonte AC variável poderá também ser útil em situações em que a rede apresente instabilidades, fornecendo valores de tensões abaixo dos nominais. Nestas condições, uma fonte AC, poderá fornecer uma tensão de saída dentro dos níveis desejáveis. Outra aplicação seria a de aumentar a tensão de linha, quando uma carga está conectada através de um cabo de longa extensão, causando uma queda significativa dos valores no percurso até a carga.
As diferentes tensões AC são geradas usando um transformador (ou um auto transformador). O transformador pode ter múltiplos enrolamentos e diferentes pontos de conexão, com o instrumento selecionando as diversas tensões através de chaves. Como alternativa, pode ser usado um transformador variável (autotransformador ajustável) para variação continua da tensão (*). Algumas fontes AC possuem medidores para monitorar a tensão, corrente e/ou potência.
Alguns produtos, como o modelo 1655A da B&K Precision, que é uma fonte de alimentação AC variável e isolada, mostrada na Figura 1, combina um transformador de isolação com um variável. Este instrumento tem também a capacidade de testar fuga AC e tem uma conveniente alimentação para ferro de solda. É uma ferramenta prática e de extrema utilidade para trabalho de depuração em bancada.
Figura 1 – Fonte AC 1655A
(*) Os transformadores variáveis são frequentemente chamados também de “Variacs”, que originalmente foi um nome registrado pela General Radio Corporation, mas a palavra tornou-se comum e é usada também para designar esse tipo de transformador.
Existem também fontes AC com alto grau de sofisticação, que permitem não só aumentar ou diminuir o valor da tensão AC, mas também inserir diversas variações na forma de onda alternada, como surtos, quedas, picos ou ausência de ciclos.
Simuladores de perturbação de linha AC, permitem que fontes AC testem equipamentos em laboratório, auxiliando a verificar eventos, que poderiam trazer problemas caso ocorressem na operação desses equipamentos.
Exemplo de fontes de alimentação AC com características avançadas, seria a da família 9800 da B&K Precision, mostrada na Figura 2.
Figura 2 – Série 9800 Fontes de Alimentação AC
Características avançadas encontradas em fontes de alimentação AC
Simulador de perturbação de linha (PLD – Power Line Disturbance)
O simulador PLD é uma característica que permite aos usuários maior controle na inserção de distúrbios na forma de onda AC. Pode ser usado para avaliar a imunidade de um produto a eventos inesperados na rede. Perturbações comuns como surtos, quedas, picos e ausência de ciclos, podem ser inseridas em posições definidas da forma de onda. Veja alguns exemplos na Figura 3 abaixo.
Modo varredura
A função de varredura é ideal para testar a eficiência de fontes de alimentação chaveadas ou verificar os requisitos de potência máxima de operação no dispositivo sob teste. Varreduras de frequência e tensão definidas pelo usuário, podem ser criadas de forma independentes ou combinadas.
Simulação Dimmer
Dimmers são dispositivos utilizados para variar a intensidade da corrente elétrica média em uma carga. Através da diminuição ou aumento da tensão eficaz, controlam por exemplo, a intensidade de luz produzida por uma lâmpada. O princípio de funcionamento deste circuito é o controle do ângulo de condução de um Triac. Disparando-o em diversos pontos do sinal senoidal da rede de energia é possível aplicar a uma carga, potências diferentes.
A simulação dimmer nas fontes de alimentação AC, pode ser usada para muitas aplicações de teste como controle de motores e iluminação. Ao controlar a fase de corte no início ou no final da forma de onda senoidal AC, a simulação dimmer irá variar a tensão RMS fornecida à carga sob teste. A fase de corte pode ser ajustada na porção inicial ou final variando entre 0 e 180 graus.
Figura 4 – Exemplos de corte de fase na subida
Figura 5 – Exemplo de corte de fase na descida
Fontes de Alimentação DC
Tipos de fontes de alimentação DC
Eliminador de Bateria
Este tipo de fonte, normalmente tende a ser mais acessível em termos de custo. Seu nome descreve a sua função principal, que é a de atuar no lugar de uma bateria.
Essas unidades são baratas e convenientes quando a aplicação exige o uso de equipamentos operados a bateria, permitindo sua operação de forma continua.
Os modelos mais comuns são aqueles fornecendo 13,8 volts contínuos em sua saída e são usados em dispositivos que seriam normalmente alimentados por uma bateria automotiva. Sua aplicação seria por exemplo para o teste e projeto de rádios ou equipamentos estéreo, usados nos veículos. Sua especificação de regulação de linha é normalmente inferior a das fontes de laboratório, porém isso não é um problema, considerando que as tensões dentro do automóvel variam substancialmente.
Figura 6 – Fonte 1680 fornece 13,8V similar a tensão de bateria automotiva
Outro tipo muito popular é aquele que substitui baterias de 1,5 volts ou ainda de 9 e 12 volts. O único controle dessas fontes de alimentação é a chave liga/desliga e outra rotatória permitindo selecionar a tensão de saída desejada.
Como característica, essas fontes de alimentação, são projetadas para trabalhar com segurança em condições de curto circuito da carga.
Fontes de alimentação de tensão constante
Um tipo de fonte de alimentação um pouco mais complexo que o eliminador de bateria, forneceria uma tensão constante porém de valor ajustável pelo usuário. Por serem ajustáveis, normalmente essas fontes de alimentação possuem um medidor no painel frontal, para mostrar o valor de tensão continua fornecida. Alguns modelos possuem ainda medidores do valor de corrente.
Modelos típicos desse tipo de fonte de alimentação são os 1690 e 1692 da B&K Precision, mostrados na Figura 7.
O comportamento básico desse tipo de fonte de alimentação é manter a tensão de saída independentemente da resistência da carga. Os modelos possuem um botão para ajuste da tensão de saída. Alguns modelos podem não ser ajustáveis até o valor de zero volts e ainda sua corrente máxima pode ser proporcional a tensão de saída ao invés de fornecer um valor fixo de corrente para qualquer valor de tensão.
Figura 7 – Modelos 1690 e 1692 da B&K Precision
Este tipo de fonte de alimentação pode trabalhar também como um eliminador de bateria mostrando o valor de corrente que a carga está drenando.
Fontes de Alimentação de Tensão Constante/Corrente Constante
Provavelmente o tipo mais popular de fonte de alimentação em um laboratório, seja a de tensão constante / corrente constante. Além de fornecer tensões constantes, este tipo de fonte poderá também fornecer correntes constantes em sua saída.
Quando em modo de corrente constante, este tipo de fonte de alimentação, manterá a corrente de saída independente das variações de resistência em sua carga. Um exemplo típico deste tipo de fonte de alimentação é a do modelo 1666 da B&K Precision mostrada na Figura 8.
Figura 8 – Modelo 1666 com 40V e 5A
Esta fonte de alimentação tem saída de tensão ajustável, disponível no conjunto de conectores tipo banana. O arranjo dos terminais de saída, com o terminal terra entre os terminais positivo e negativo, é o mais comum e facilita a conexão de qualquer um dos terminais com o terra. Isto é conveniente, quando é necessário que um dos terminais seja referenciado ao nível terra.
A fonte de alimentação apresentada, tem controles de ajuste grosso e fino, tanto para tensão como para a corrente. Algumas fontes de alimentação usam potenciômetros de 10 voltas para ajuste, outras chaves ajustáveis com indicação numérica ou teclado numérico. Estas últimas são úteis pois evitam a necessidade da fonte de alimentação possuir medidores .
Teoria de Operação
Existem dois tipos de operação principais nas fontes de alimentação DC: regulação linear e modo chaveado.
Regulação Linear
O princípio de operação de uma fonte de alimentação de regulação linear é mostrado na Figura 9 abaixo.
Figura 9 – Fonte de alimentação de regulação linear
A tensão AC de entrada normalmente passa por um transformador, por um retificador de onda completa e pelos capacitores de filtragem. A tensão de saída é comparada com um valor de referência (derivado, por exemplo, das configurações do painel frontal) e a diferença controla um transistor para permitir mais ou menos corrente fluindo através dele. Geralmente é utilizado um transistor bipolar ou um do tipo MOSFET (algumas vezes faz parte do CI de controle em fontes com menor potência) operando em sua região linear (por essa razão denominado regulação “linear”). A regulação linear apresenta vantagens como, simplicidade de construção, baixo ruído, rápido tempo de resposta e excelente regulação. A desvantagem é que elas são ineficientes pois dissipam muita potência. A queda de tensão entre a entrada e saída do regulador, multiplicada pela corrente fornecida, será a potência perdida na forma de calor. Para uma diferença alta de tensões (para fontes com baixo valor de tensão na saída por exemplo) e correntes altas, a eficiência geral pode cair a valores perto dos 10%. A eficiência máxima para fontes de alimentação lineares, é geralmente em torno de 60%. A eficiência média típica gira entre 30% e 40%.
Modo Chaveado
Usaremos aqui também o termo SMPS (Switching Mode Power Supply), mais comum nas literaturas em inglês, que designa também as fontes de alimentação de modo chaveado.
Um problema típico das fontes de alimentação lineares é o tamanho e o peso de seu transformador de entrada. Isto ocorre devido a baixa frequência de trabalho (de 50 a 60 Hz). Para a mesma potência de saída, o tamanho do transformador diminui consideravelmente a medida que a frequência aumenta. As SMPS se beneficiam disso recortando a forma de onda de entrada AC em diversas partes e alterando sua tensão para o valor desejado com um transformador muito menor. O elemento principal para executar o chaveamento é um transitor operando em sua região de corte ou de completa saturação. A tensão sobre o transistor é muito menor (seja um transistor bipolar ou um MOSFET), significando baixa potência perdida. Quando está em sua região de corte, nenhuma potência é dissipada. Isto faz com que as SMPS tenham uma eficiência muito superior.
Figura 10 – Fonte de alimentação chaveada
Os capacitores de filtragem podem também ser menores nestas frequências mais altas e os indutores são mais eficientes. O limite inferior de frequência é de 25 kHz (para ficar acima da faixa auditiva) e o limite superior atualmente gira em torno de 3 MHz. A maioria das fontes chaveadas trabalha em uma faixa de frequências de 50 kHz a 1 MHz.
Comportamentos parasitas e o efeito de superfície (skin effect em inglês, é a tendência em um condutor circular, da corrente fluir com maior densidade em sua superfície do que em seu núcleo) tornam-se significativos em altas frequências, principalmente com formas de onda quadradas, ricas em harmônicos. Nos elementos passivos, como capacitores e indutores, o ESR (Equivalent Series Resistance, a resistência interna equivalente desses elementos) começam a aparecer gerando ineficiências. Os resistores não podem ser indutivos. Fontes chaveadas projetadas com cuidado, podem chegar a eficiências de 95%, porém as SMPS típicas tem uma eficiência em torno de 75%, ainda assim muito superiores as fontes lineares. Este é uma das razões que estas fontes são muito usadas em computadores pessoais.
Outra vantagem das SMPS é que o chaveamento pode ser modulado de diversas maneiras, dependendo das condições da carga. A saída da fonte é regulada com um circuito de realimentação que ajusta o tempo (ciclo de trabalho) em que os MOSFETS são chaveados.
Os benefícios das fontes chaveadas tem também seu preço. Altas frequências de chaveamento, significam maiores níveis de interferência eletromagnética (EMI – electromagnetic interference), tanto irradiada como conduzida. Isto pode também levar mais ruído a rede AC de alimentação. A eletrônica de controle torna-se também mais complexa (atualmente ainda mais, devido a necessidade de obter melhores fatores de potência).
Obter baixas tensões de saída é outra limitação das fontes chaveadas. Isto se deve a corrente que o transistor tem que comutar, ou seja, as SMPS não podem operar sem que flua uma corrente mínima. Por esta razão, as fontes chaveadas geralmente especificam um valor de tensão de saída mínimo.
Características das Fontes de Alimentação
As fontes de alimentação frequentemente possuem diferentes características algumas consideradas avançadas e só verificadas em modelos mais complexos.
Entender seus princípios e as aplicações onde podem ser usadas, ajudará a diferenciar os inúmeros modelos de fontes disponíveis no mercado atualmente.
Sensoriamento Remoto
Como os cabos que conectam a saída da fonte de alimentação a sua carga possuem uma resistência interna, a medida que a corrente fluindo através deles aumenta, a queda de tensão ao longo desses cabos também aumentará. Isto fará com que a tensão chegando na carga seja diferente daquela programada na saída da fonte. A característica de sensoriamento remoto (remote sense nas literaturas em inglês), permite que uma entrada de alta impedância meça a tensão diretamente na carga, corrigindo a tensão na sua saída, para compensar as perdas ao longo dos terminais.
Figura 11 – Sensoriamento remoto
As correntes nos cabos de sensoriamento remoto são sempre baixas, assim sendo fios de bitola menor podem ser usados. Cuidado especial porém deve ser tomado, para que nenhum ruído irradiado possa interferir no seu correto funcionamento.
Para evitar esse problema, é aconselhável sempre trançar os terminais positivos e negativos ou então blinda-los. Veja Figura 12.
Figura 12 – Proteção no terminais de sensoriamento remoto
Associação em série ou paralelo (Mestre/Escravo)
A fim de obter maiores valores de tensão ou corrente do que aqueles especificados por uma fonte de alimentação, muitos modelos permitem a associação em série ou em paralelo. Existem vários métodos para conexão em série ou paralelo e é importante verificar as especificações do fabricante para identificar essa característica. Vamos verificar alguns exemplos em diferentes modelos.
Fontes modelo 9115 da B&K Precision – Estas fontes de múltiplas faixas e saída única, permitem tensões de até 80 V e correntes de 60 A quando operadas individualmente. Ao associar até 3 unidades em série ou em paralelo é possível atingir valores de até 240 V de tensão ou até 180 A de corrente respectivamente.
Um dos modelos da fonte 9115, será configurado como mestre e bastará ajustar os parâmetros deste, para que as outras duas unidades escravos sigam estes ajustes.
Figura 13 – Associação série modelo 9115 permitem valores maiores de tensão
Figura 14 – Associação paralelo modelo 9115 permitem maiores valores de corrente
Existem modelos de fontes com múltiplas saídas, que permitem associações em série ou paralelo entre elas. Existem ainda, modelos que necessitam de conexões externas para obter essas associações e existem outros que basta uma configuração no painel frontal e as conexões serão feitas internamente, sem a necessidade de cabeamento entre as saídas. Mais uma vez, é importante verificar as especificações do fabricante, bem como o manual de operação para uma correta configuração.
O modelo 1673 da B&K Precision é uma fonte com 3 saídas que permite associação interna entre duas dessas saídas, simplesmente ajustando as configurações no painel frontal. LEDs indicam no painel frontal o modo em que a fonte está operando.
Figura 15 – Associação série e paralelo da fonte 1673 com conexões internas
Outros modelos, como o 9130B da B&K Precision, requerem conexões externas, mas permitem a configuração e as medidas dos valores de forma única no painel frontal.
Figura 16 – Fonte tripla modelo 9130B
Figura 17 – Conexão e configuração em série de duas saídas da fonte 9130B
Figura 18 – Conexão e configuração em paralelo das três saídas da fonte 9130B
Controle Analógico
Controle analógico se refere a capacidade de controlar a saída da fonte de alimentação através de sinais analógicos externos. Normalmente os sinais externos são obtidos por resistências variáveis ou por um valor de tensão.
Alguns modelos de fontes de alimentação possuem terminais de entrada, usados como controle analógico da saída de tensão ou de corrente. Note que esta funcionalidade é chamada também de programação analógica, diferente da capacidade de programação digital, que é feita a partir de um computador por interfaces padronizadas como por exemplo, USB, RS232, GPIB ou Ethernet.
As fontes de alimentação da série PVS10005 da B&K Precision possuem um conector DB25 no seu painel traseiro para controle analógico. Veja Figura 19.
Figura 19 – Controle analógico nas fontes PVS10005
A Figura 20 mostra a configuração para controle analógico da fonte através de sinais de tensão externas bem como a medição dos valores fornecidos pela fonte.
Figura 20 – Controle e monitoração analógica através de uma tensão externa
A Figura 21 mostra uma configuração utilizando resistências externas para controle da saída da fonte de alimentação.
Figura 21 – Controle analógico através de resistências
Fontes de Alimentação de Múltiplas Saídas
Fontes de alimentação de múltiplas saídas, possuem mais do que uma saída de tensão contínua, geralmente duas ou três. Estes modelos são úteis, com custos mais eficientes, em sistemas que necessitem de várias tensões simultaneamente.
Uma configuração frequentemente usada em desenvolvimento de circuitos é o modelo com três saídas. Uma das saídas fornece de 0 a 6 volts, usada em lógica digital. As outras duas saídas, tipicamente de 0 a 20 volts, podem ser usadas com circuitos analógicos bipolares. Algumas vezes um ajuste combinado é possível para as duas saídas de 20 volts, de forma que os valores positivos e negativos possam ser ajustados simultaneamente, girando apenas um botão.
Um modelo popular desta categoria de fontes é o modelo 9130B da B&K Precision mostrado anteriormente na Figura 16.
As três saídas podem ser configuradas independentemente tanto pelo painel frontal como por programação através de um computador. O canal 1 e 2 permitem até 30 volts com 3 Ampéres e a terceira saída poderá fornecer até 5 volts e 3 Ampéres.
Esta fonte de alimentação é capaz de fornecer 195 watts continuamente. As saídas podem ser ativadas ou desativadas independentemente ou todas de uma só vez (útil para energizar uma placa de circuitos).
Esta fonte de alimentação possui diversas características importantes. As saídas podem ser controladas por temporizador: após um intervalo de tempo configurado, as saídas são desativadas. Limites de tensão podem ser ajustados para todos os canais de forma que o protótipo sendo energizado, estará protegido de ajustes acidentais com tensões elevadas. As três saídas podem ser conectadas em série ou paralelo para fornecer maiores tensões ou correntes, respectivamente. Memórias internas permitem armazenar até 36 configurações para rápida reconfiguração (útil para testes repetitivos).
Outras característica interessante é que esta fonte permite armazenar o estado de sua saída na última configuração usada antes de ser desligada. Se a energia AC que alimenta a fonte falhar, a fonte voltará a seu estado operacional quando ela retornar, sem a necessidade de intervenção de um operador.
Esta fonte em particular, permite ainda programação através de um computador, que nos leva ao próximo tipo de fonte de alimentação.
Fontes de Alimentação Programáveis
As fontes de alimentação programáveis são as vezes também chamadas de “sistemas” de fontes de alimentação, a medida que são frequentemente usadas como parte de um sistema operado por computadores, para execução de testes automáticos, muito usados em linhas de produção. São excluídas desta análise a programação via sinais externos de tensão ou resistência, já mencionados neste documento, e que denominamos de programação analógica, muito usada antes da tecnologia de computadores se tornar popular.
Ao longo dos anos diversas tecnologias de interfaces entre instrumentos e computadores foram desenvolvidas e se popularizaram. Duas das mais comuns tem sido a IEEE-488, também conhecida como GPIB (General Purpose Interface Bus) e a comunicação serial RS-232. Interfaces de rede local (como Ethernet) e USB tem sido usadas também. Não serão discutidas aqui as vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de interface, pois está fora do escopo deste documento.
Em uma camada lógica mais alta, acima do tipo de interface física, está a linguagem de comandos para controle da fonte de alimentação. Neste nível se encontram o conjunto de instruções enviadas ou recebidas do instrumento, que permitem seu controle total. Três categorias comuns para instrumentação de teste e medição são:
- Comandos proprietários
- SCPI
- SCPI-like
Linguagens com comandos proprietários são específicas de um fabricante e as vezes específicas para um conjunto de instrumentos. A desvantagem de linguagens proprietárias é que será necessário escrever um software específico para aquele instrumento. Alterando o instrumento para de um outro fabricante, significa refazer o programa. SCPI é a sigla de “Standard Commands for Programmable Instruments”, e se pronuncia como “skipy” ou “skapy”. Pelo fato de ser muito custoso ter que reescrever um software a cada vez que se mudasse de fabricante, a indústria de instrumentação desenvolveu o protocolo SCPI, padronizando assim, o conjunto de comandos e possibilitando a mudança de fabricantes, sem a necessidade de reprogramação.
SCPI tem sido muito útil, porém não é a solução definitiva, pois novas características surgem constantemente e estas requerem novos comandos. Desta forma, muitos fabricantes procuram fazer que suas linguagens de programação sejam SCPI-like (termo em inglês que significa “como o SCPI”), significando que eles usam o padrão sempre que possível. A sintaxe também é familiar para os programadores, tornando o desenvolvimento muito mais rápido.
Abaixo uma lista típica de comandos SCPI para fontes de alimentação:
[SOURce:]
MODE {<FIXed|LIST|DRM>}
MODE? VOLTage
[:LEVel] {<n>} [:LEVel]? :PROTection
:STATe {<bool>} :STATe? [:LEVel] {<n>} [:LEVel]?
CURRent
[:LEVel] {<n>}
[:LEVel]?
Enviando qualquer dos comandos acima através de uma interface suportada pelo instrumento, a fonte de alimentação pode ser controlada por um computador ao invés de usar as teclas no painel frontal. Este processo é muito utilizado, principalmente em testes mais complexos, como nos casos onde valores de tensão devem se alterar dinamicamente, para valores pré estabelecidos em uma lista determinada.
Fontes de Alimentação de Múltiplas Faixas
A maioria das fontes de alimentação convencionais, operam em faixas fixas de tensão e corrente, como por exemplo 30V / 3A. Neste caso, a potência máxima que a fonte pode fornecer, só ocorre quando a fonte opera nos seus máximos valores de tensão e corrente, 30 V / 3 A. Para todas as outras combinações de tensão/corrente, a potência fornecida será menor. Este tipo de fonte é conhecida também como de faixa única, ou pelo seu nome em inglês “single range”.
Figura 22 – Característica de fontes de faixa única
Existem modelos de fontes de alimentação que trabalham em duas faixas e são úteis pois permitem maior flexibilidade de tensões e correntes. São conhecidas como fontes de dupla faixa ou pelo termo em inglês “dual range”. Os modelos da série 9170/9180 da B&K Precision são exemplos desta categoria de fontes. O modelo 9184 por exemplo, mostrado na Figura 23, pode fornecer até 100V com 2A ou então 200V com 1A, respeitando sempre a potência de 200W.
Figura 23 – Características de fontes de faixa dupla e o modelo 9184 que possui essa característica
Fontes de alimentação de múltiplas faixas, conhecidas também pelo termo em inglês “multi range”, funcionam de forma diferente, estas fontes recalculam os limites de tensão/corrente para cada configuração, criando uma curva hiperbólica de potência constante, como mostrado na Figura 24 abaixo.
Figura 24 – Característica de múltiplas faixas da fonte modelo 9206
O modelo 9206 da B&K Precision, especificado com 600W / 150V / 10A, é um exemplo desta categoria de fonte de alimentação. Qualquer combinação de tensão e corrente, configuradas sobre a curva hiperbólica, é possível, por exemplo: 150V/4A, 60V/10A, ou ainda um valor intermediário como 100V/6A, em todos esses exemplos a fonte estará sempre fornecendo sua potência máxima de 600W. Os benefícios desta arquitetura são vários: uma fonte de múltiplas faixas proporciona uma flexibilidade muito maior na configuração de sua saída, permitindo que seus usuários, substituam diversas fontes de taxa fixa, por uma única fonte de múltiplas faixas, gerando economia no momento da aquisição e provendo espaço adicional na bancada de testes.
Figura 25 – Fonte de múltiplas faixas da Série 9200
Modo de Corrente e Tensão Constante
A fonte de alimentação DC regulada mais comum e versátil é a do tipo corrente constante (CC) ou tensão constante (CV), que como o próprio nome sugere, fornecerá uma corrente ou uma tensão constante, dentro de certa faixa de trabalho, veja a Figura 26 abaixo.
Figura 26 – Modo de tensão e corrente constantes
Essas fontes são geralmente conhecidas como fontes do tipo tensão/corrente constante com crossover automático. Crossover é um termo em inglês, que indica um ponto ou um lugar onde algo muda de lado, no caso destas fontes, indica o ponto onde automaticamente deixa de operar no modo de tensão constante e passa a trabalhar fornecendo uma corrente constante em resposta a uma alteração de carga. A intersecção da tensão constante para corrente constante é chamada de ponto de crossover.
Por exemplo, se uma carga está configurada de tal forma que a fonte de alimentação conectada a ela opere na região de tensão constante, uma tensão de saída regulada é fornecida. Esta tensão permanecerá constante na medida que a carga aumente, drenando cada vez mais corrente dessa fonte, até o ponto limite, onde o valor de corrente máxima configurada pelo usuário, seja atingido. Neste ponto, a saída de corrente torna-se constante, e a saída de tensão cai na medida que a carga continue aumentando. Em alguns modelos de fontes, o ponto de crossover é indicado por um indicador LED no painel frontal. O ponto de crossover é atingido, quando o LED indicador mostrando CV (tensão constante) apaga e o LED indicador CC (corrente constante) acende.
Similarmente, o crossover, ou mudança dos modos de corrente constante para tensão constante, ocorre quando a carga diminui, drenando desta forma menos corrente da fonte. Um bom exemplo deste tipo de operação, se verificará ao carregar uma bateria de 12 volts. Inicialmente a tensão em circuito aberto da fonte, seria configurada para 13,8 volts. Estando a bateria com pouca carga, irá exigir da fonte uma corrente maior colocando-a no modo de operação de corrente constante.
A fonte poderia ser configurada para prover uma taxa de carga de por exemplo 1 ampére. A medida que a bateria se carregue e sua tensão se aproxime dos 13,8 volts, sua carga diminui até o ponto onde ela não demande mais a taxa completa de 1 ampére. Este é o ponto de crossover, onde a fonte passa a operar no modo de tensão constante.
Especificações das Fontes de Alimentação
Na lista de especificações mostradas a seguir, serão apresentadas sugestões e questões a serem consideradas, ao analisar as especificações de uma fonte de alimentação. Avalie-as com critério e as use quando tiver a necessidade de selecionar uma fonte de alimentação.
Saídas
A tensão e corrente de saída (ou tensões e correntes para múltiplas saídas), são sem dúvida de fundamental importância. Se estiver buscando uma fonte de alimentação para uma aplicação específica, seja conservador e adquira mais capacidade do que realmente necessita. É frequente surgirem novas demandas no ciclo final de um projeto.
Sugestões e perguntas a serem avaliadas:
- Certifique-se que a saída é especificada dentro da faixa de tensão de entrada da rede de alimentação AC (por exemplo: algumas fontes chaveadas sofrem alterações quando as tensões de entrada são mais baixas).
- Algumas fontes (geralmente as fontes de alimentação chaveadas) não são especificadas até a tensão de saída de 0 volts.
- Quanto de flutuação a fonte poderá aceitar acima ou abaixo do nível de referência terra?
- Quanto a saída irá variar ao longo do tempo? Um valor típico seria de 5 a 10 mV durante 10 horas, em condições de carga e de tensão de entrada constantes. Se a saída está em valor de tensão fixo, poderia ela sofrer um ajuste fino para um determinado valor?
- Verifique se a fonte possui sensoriamento remoto. O sensor remoto, usa dois terminais de entrada de alta impedância, para verificar a tensão que chega na carga. Quando cabos de longo comprimento são usados para conectar a saída principal da fonte até a carga, os terminais de sensoriamento remoto, podem ser usados, para verificarem e corrigirem, as quedas de tensão que acontecem no caminho, devido a resistência interna dos cabos de conexão.
- Algumas fontes de alimentação possuem proteção na saída. Estas proteções recebem diferentes nomes em inglês, ao usarem diferentes tipos de soluções. São as vezes chamadas de “crowbar” (termo em inglês que significa pé-de-cabra, se refere a situação onde esta ferramenta seria hipoteticamente jogada entre as saídas da fonte, provocando um curto e impedindo que uma alta tensão chegue até a carga, na verdade um circuito elétrico, geralmente implementado com tiristores ou TRIACS, executa função similar), “over- voltage protection” (proteção contra sobre tensão), ou “limit voltage protection” (proteção com limitador de tensão). A característica de proteção pode tanto limitar a tensão de saída para um valor configurado pelo usuário, como desligar completamente esta saída, se a tensão atingir o limite designado. O objetivo é proteger circuitos sensíveis a tensões maiores de se danificarem. Por exemplo: ao alimentar um circuito lógico de 5 volts com uma fonte de alimentação capaz de fornecer até 40 volts, a proteção será configurada para nunca exceder 5,5 volts, independentemente do ajuste feito no botão do painel frontal.
Regulação
Para uma fonte de alimentação DC manter sua saída estável, é importante verificar seu comportamento quando houverem alterações na sua tensão de alimentação AC, no dispositivo para qual está fornecendo energia ou em sua carga.
Regulação de Linha
Uma fonte de alimentação DC é basicamente um conversor AC para DC. Em linhas gerais, ela recebe uma tensão AC e a converte para um valor de tensão regulada .
A especificação de regulação de linha indica quanto a saída DC varia, quando houver uma alteração em sua alimentação de linha AC. Geralmente especificada em mV para uma dada variação de entrada, ou como uma porcentagem da faixa completa de entrada. Quanto menor o valor de regulação de linha, melhor será a fonte de alimentação. Valores típicos estão entre 0,1% e 0,01%.
Regulação de linha = (( VoAC Alta –VoAC Baixa ) / VoAC Alta ) x 100
Onde:
VoAC Alta é a tensão de saída da fonte quando sua entrada AC está no seu valor máximo
VoAC Baixa é a tensão de saída da fonte quando sua entrada AC está no seu valor mínimo
Nas literaturas em inglês os termos usados para regulação de linha são “line regulation” ou “source effect”.
Regulação de Carga
Regulação de carga é uma especificação que descreve quanto a saída DC, de uma fonte de alimentação, será alterada devido a uma variação brusca em sua carga, geralmente do valor em que não forneça nenhuma corrente, até um valor de resistência que consuma a máxima corrente especificada para essa fonte. Estas medidas podem ser feitas de forma fácil e conveniente, utilizando-se de cargas eletrônicas DC, disponíveis no mercado atualmente. Quanto menor o valor de regulação de carga, melhor será a fonte de alimentação. Especificações típicas de regulação de carga são de 0,1% a 0,01%.
Regulação de carga = (( Vo Sem carga –VoAC Com carga ) / VoAC Sem carga ) x 100
Onde:
Vo sem carga é a tensão de saída da fonte sem drenar nenhuma corrente para carga
Vo com carga é a tensão de saída da fonte quando drenando sua corrente máxima
Em inglês o termo usado para a especificação de regulação de carga é “load regulation”.
Figura 27 – Regulação de Carga
Tempo de Resposta a Transientes
O tempo de resposta a transientes é especificado como sendo o tempo que uma fonte DC leva para recuperar seu valor de tensão de saída, após uma variação brusca em sua carga. Esta especificação pode ser importante quando trabalhando com circuitos digitais que consomem energia em surtos. Por exemplo, um telefone celular durante sua fase de testes, poderá ser testado em uma bancada alimentado por fontes de alimentação DC. No momento que alterna seu estado de hibernação para ativo, ao receber uma chamada por exemplo, demandará da fonte um rápido fornecimento de energia. Caso a fonte sofra alterações significativas por um período de tempo em que os circuitos do aparelho móvel ativem suas proteções, esta condição poderá causar o desligamento do aparelho gerando problemas na execução dos testes. Uma fonte com especificações ruins de resposta a transientes, terá consequências negativas na aplicação, tanto pelo fato de não conseguir prover energia suficiente, como também pelos transientes que irá gerar e que podem ser acoplados aos circuitos sendo alimentados causando comportamentos imprevisíveis .
Figura 28 – Tempo de resposta a transientes
A Figura 28 mostra que uma rápida variação na corrente de saída, irá fazer a tensão da fonte cair, até que os circuitos de regulação a façam retornar ao valor programado. O tempo para retornar ao valor programado é especificado como tempo de resposta a transiente e indicado por Tr. O valor de tensão programado vai estar sempre associado a uma faixa de tolerância, que deve estar também determinada na especificação. Portanto o tempo de resposta a transiente é especificado como sendo o tempo necessário para a tensão voltar para dentro da faixa de tolerância, que é normalmente determinada como uma porcentagem do valor programado, ou então uma porcentagem do valor de tensão especificado da fonte.
O normal seria que a especificação de resposta a transientes tivesse três componentes:
- A magnitude da variação da carga, como por exemplo de 50% da carga até sua carga máxima. Assim uma fonte de alimentação que fosse especificada como podendo fornecer até 10 A, a especificação deveria se referir a uma variação de 5 A para 10 A.
- A faixa de tolerância de tensão, seriam os valores de tensão próximos ao valor programado, que determinam sua recuperação, após a variação da carga.
- Tempo necessário após a variação da carga, para a tensão retornar aos valores dentro da faixa de tolerância.
Um exemplo de especificação encontramos na fonte B&K Precision modelo PVS10005. A especificação de respota a transiente indica um valor ≤ 5ms, porém as condições da medida estabelecem: “Tempo para a tensão de saída se recuperar dentro 0,5% de sua saída especificada, para uma variação de carga de 50 – 100% da corrente de saída”.
Se a carga estiver variando muito rapidamente, a fonte de alimentação poderá nunca atingir seu nível de tensão programado. Isto indica que o tempo de resposta a transiente está relacionado a largura de banda da fonte de alimentação. Porém raramente se verifica um fabricante indicar a largura de banda de suas fontes e a razão principal para isso é que ela dependente da carga.
Ripple e ruído
Ripple ou ruído de saída, se refere aos desvios da saída de tensão DC de seu valor médio dentro de uma largura de banda especificada, geralmente de 20 Hz a 20 MHz. É medido normalmente em valores de tensão rms (root mean square ou valor médio eficaz) e pico a pico (p-p). Não existe um método universal, padronizado e aceito por todos os fabricantes para medir o ripple das fontes de alimentação DC.
Alguns fabricantes incluem circuitos externos para efetuarem suas medidas de ripple, assim será necessário contata-los, caso queira confirmar seus resultados. O método mais comum, seria usando um osciloscópio com sua entrada configurada em acoplamento AC, conectada a saída da fonte de alimentação.
É importante mencionar que existem dois tipos de ruído a serem considerados: o ruído de modo normal e o ruído de modo comum. Se a especificação da fonte não detalhar qual está sendo considerado, trata-se então do modo normal, pois é o mais usado pelos fabricantes. O ruído de modo normal, também chamado de ruído de modo diferencial, é o desvio de tensão na saída do terminal positivo em relação a saída no terminal negativo. Importante salientar, que como na maioria dos osciloscópios convencionais, o conector BNC de sua entrada, está amarrado ao nível de referência terra, deverá ser usado para efetuar essa medida, um osciloscópio de canais isolados ou então uma ponta de prova diferencial. O ruído de modo comum por outro lado, é o desvio que aparece em ambos terminais de saída da fonte, positivo ou negativo, em relação ao nível de referência terra AC. Ele é especificado em ampéres, pois a medição da corrente fluindo de um dos terminais de saída para o terra é mais fácil de ser feita.
Figura 29 – Ripple e ruído
O ripple para uma fonte de alimentação linear é geralmente medido no dobro da frequência de linha AC. Para uma fonte chaveada, será necessário examinar frequências mais altas, onde poderão ocorrer picos de tensão. Normalmente as fontes lineares apresentam um ripple de 3 mV RMS e as fontes chaveadas geralmente apresentam 50 mV pico a pico.
Ripple pode ser definido como parte da tensão AC não filtrada e do ruído, presentes na saída de uma fonte de alimentação DC, quando operando em sua máxima carga e é tipicamente especificado em volts RMS. Ruído por outro lado, é geralmente especificado em tensão AC pico a pico e pode ser definido como o ruído gerado por interferência eletromagnética conduzida ou irradiada, que não consegue ser filtrado ou blindado, na saída da fonte de alimentação operando a máxima carga.
Atualmente o termo PARD, que é um acrônimo para “Periodic And Random Deviation”, tem sido usado por alguns fabricantes para subsituir o termo ripple e ruído.
Exemplo Prático: Aqui são apresentados alguns exemplos práticos de medidas de ripple e ruído. A saída de uma fonte B&K Precision modelo 9130 configurada para fornecer 9 volts, foi conectada através de uma ponta diferencial PR-60, para um osciloscópio digital modelo 2190D (100 MHz de largura de banda). A entrada do osciloscópio foi configurada para acoplamento AC (o acoplamento AC no osciloscópio fará que nenhuma componente abaixo do 30 Hz influencie na medida).
O ruído medido será diferencial, não de modo comum. Não foi verificado ripple na frequência de linha e a maior parte do ruído foi de banda larga com alguns picos de tensão na frequência fundamental de 40 MHz. Estes picos não foram gerados pela fonte de alimentação sendo testada, isto foi concluido devido: 1) eles estavam presentes com a fonte de alimentação desligada; 2) eles foram verificados também em outro instrumento na mesma bancada de testes, também desligado.
Provavelmente ele se deva a interferência conduzida pela linha de alimentação, causada por um computador ligado na mesma bancada. A fonte 9130 é especificada para ter menos do que 3 mV RMS de ruído. Note que estes exemplos não tem a intenção de determinar as características da fonte 9130, porém mostrar que ações tão simples quanto conectar um cabo a uma fonte para efetuar medidas de ripple, requerem uma série de análises e critérios para não gerar conclusões errôneas.
Figura 30 – (A) Ruído térmico típico – (B) Captura em base de tempo mais lenta para mostrar picos (~15mV) – (C&D) Detalhes dos picos
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