Atérea de Alimentação: Definição, Funções & Componentes

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Definição: Uma fonte de alimentação é um circuito electrónico concebido para fornecer várias tensões ac e dc para o funcionamento do equipamento.

O funcionamento do equipamento electrónico requer um número de tensões de fonte. São necessárias baixas tensões dc para operar ICs e transístores. São necessárias altas tensões para o funcionamento de CRTs e outros dispositivos. As baterias podem fornecer todas estas tensões.

No entanto, a electricidade para dispositivos eléctricos e electrónicos é normalmente fornecida pela companhia de electricidade local. Esta energia sai de uma tomada a 115 volts ac, com uma frequência de 60 Hertz. São necessárias tensões diferentes para operar alguns equipamentos.

Funções de alimentação eléctrica

O circuito completo de alimentação pode desempenhar estas funções:

  1. Tensões escalonadas para cima ou tensões escalonadas para baixo, por acção do transformador, até à tensão de linha ac requerida.
  2. Prover algum método de divisão de tensão para satisfazer as necessidades de equipamento.
  3. Mudar a tensão ac para uma tensão dc pulsante por meia onda ou rectificação de onda completa.
  4. Filtro de tensão dc pulsante para uma tensão dc fixa pura para uso do equipamento.
  5. Regular a saída da fonte de alimentação em proporção à carga aplicada.

Power Supply Components

Um diagrama de blocos ilustrando estas funções é mostrado na Figura 1. Note-se que certas funções não são encontradas em todas as fontes de alimentação. Ver Figura 2 para uma fonte de alimentação comercial típica.

Figure 1. Diagrama de blocos para componentes de fornecimento de energia. A entrada é 117 volts ac. Os processos utilizados numa fonte de alimentação típica são mostrados abaixo dos blocos. A saída da fonte de alimentação pode ser dc ou ac. A saída desta fonte é de cinco volts dc.

Figure 2. Fonte de alimentação dc regulada. (Knight Electronics)

Díodos transformadores de potência

O primeiro dispositivo de uma fonte de alimentação é o transformador. O seu objectivo é subir ou descer a tensão da fonte alternada para valores necessários para utilização em rádio, TV, computador ou outro circuito electrónico.

A maioria dos transformadores não tem qualquer ligação eléctrica entre os enrolamentos secundário e primário. Ver Figura 3. Isto significa que o transformador isola o circuito ligado ao primário do circuito ligado no secundário.

Isolamento é um termo que significa que não há ligações eléctricas entre o primário e o secundário no transformador.

Figure 3. Isolamento num transformador.

Um transformador de isolamento é um transformador que tem o objectivo específico de isolar o circuito primário do secundário.

Utilizar um transformador de isolamento é uma característica de segurança porque ajuda a prevenir choques no secundário. O nosso corpo ou mãos devem ser unidos através dos dois condutores das ligações secundárias a fim de receber um choque.

A condição de segurança descrita acima não se aplica ao circuito primário com ac comercial fornecido pela companhia de electricidade. Uma ligação está quente, o que significa que a ligação está energizada electricamente. A outra está ligada à terra, ou é neutra. O facto de se manter em terra enquanto se toca na ligação quente resultará num choque. Tocar apenas na ligação à terra não resultará num choque.

Os enrolamentos secundários podem ser tocados para fornecer tensões diferentes. Uma torneira colocada a meio caminho entre as duas extremidades de um enrolamento secundário é chamada torneira central.

Muitas fontes de alimentação utilizam um enrolamento de transformador secundário de torneira central. As tensões de abertura, Figura 4, estão 180 graus fora de fase em relação à torneira central.

Deve-se encontrar uma variedade de transformadores em quase todos os dispositivos electrónicos. Deve-se compreender a teoria básica e a finalidade do transformador. Rever o Capítulo 12 se necessário.

Uma lição de segurança

Transformadores produzem altas tensões que podem ser muito perigosas. O devido respeito e extrema cautela devem ser sempre utilizados quando se trabalha com, ou mede altas tensões.

Figure 4. Um transformador de toque central.

Half-Wave and Full-Wave Rectification

Depois de uma tensão ter passado por um transformador de alimentação, o passo seguinte é a rectificação.

O processo de mudança de uma corrente alternada para uma corrente contínua pulsante chama-se rectificação.

Quando se muda um sinal ac para dc, há dois tipos de rectificação: rectificação de meia-onda e rectificação de onda completa.

Com o rectificador de meia-onda, apenas metade do sinal de entrada passa através do rectificador. Com o rectificador de onda completa, toda a onda de entrada passa por.

Half-Wave Rectification

Na Figura 5, a saída de um transformador é ligada a um díodo e a uma resistência de carga que estão em série. A tensão de entrada para o transformador aparece como uma onda sinusoidal.

A polaridade da onda inverte-se à frequência da tensão aplicada. A tensão de saída do secundário do transformador aparece também como uma onda sinusoidal. A magnitude da onda depende da relação de rotação do transformador. A saída está 180 graus fora de fase com o primário.

A parte superior do transformador (ponto A) está unida ao ânodo do díodo. Note-se que o lado B do transformador está ligado à terra.

Durante o primeiro meio ciclo, o ponto A é positivo. O díodo conduz, produzindo uma queda de tensão através da resistência R igual a IR. Durante o segundo semiciclo, o ponto A é negativo. O ânodo do díodo também é negativo. Nenhuma condução ocorre, e nenhuma queda de IV aparece através de R.

Figure 5. Esquema básico do rectificador de díodos.

Um osciloscópio ligado através de R produz a forma de onda mostrada à direita na Figura 6. A saída deste circuito consiste em impulsos de corrente fluindo apenas numa direcção e está na mesma frequência que a tensão de entrada. A saída é uma corrente contínua pulsante.

Figure 6. Formas de onda de entrada e saída de um rectificador de díodos.

Apenas metade da onda de entrada ac é utilizada para produzir a tensão de saída. Este tipo de rectificador é chamado rectificador de meia onda.

Leve em conta a polaridade da tensão de saída na Figura 6. Uma extremidade da resistência R está ligada à terra. A corrente flui da terra para o cátodo. Esta ligação torna o fim de R ligado ao cátodo positivo, como mostrado na Figura 5.

Pode ser feito um rectificador negativo invertendo o díodo no circuito, Figura 7. O díodo conduz quando o cátodo se torna negativo fazendo com que o ânodo se torne positivo.

A corrente através de R seria do ânodo para a terra tornando o fim do ânodo de R negativo e o fim da terra de R mais positivo.

Voltagens tiradas através de R, a saída, seriam negativas em relação à terra. Este circuito é chamado um díodo invertido. É utilizado quando é necessária uma tensão de alimentação negativa.

Figure 7. Um díodo invertido produz uma tensão negativa.

É possível ter uma fonte de alimentação que fornece uma rectificação de meia-onda sem o uso de um transformador. Este circuito não é isolado. Não há nenhum passo para cima ou para baixo das tensões de corrente. Este circuito é um desenho mais simples, menos dispendioso, e como não existe transformador, pode ser usado em espaços mais pequenos, Figura 8.

Figure 8. Retificação de meia-onda sem transformador.

Retificação de onda completa

A saída de tensão directa pulsante de um rectificador de meia-onda pode ser filtrada para uma tensão dc pura. Contudo, o rectificador de meia-onda utiliza apenas metade da onda ac de entrada.

Uma melhor acção de filtragem pode ser obtida através da utilização de dois díodos. Com esta configuração, ambos os meios ciclos da onda de entrada podem ser utilizados.

Bambos os meios ciclos na saída têm a mesma polaridade neste rectificador de onda completa. A figura 9 segue o primeiro semiciclo. A figura 10 segue a segunda metade do ciclo.

Figure 9. As setas mostram corrente no rectificador de onda completa durante o primeiro meio ciclo.

Figure 10. A direcção da corrente durante o segundo meio ciclo.

Para produzir esta rectificação de onda completa, é feita uma torneira central no enrolamento secundário. Esta torneira é ligada ao solo.

Na Figura 9, o ponto A é positivo e o ânodo de díodo D1 é positivo. O fluxo de electrões é mostrado pelas setas. Durante a segunda metade do ciclo de entrada, o ponto B é positivo, o ânodo de díodo D2 é positivo, e a corrente flui como mostrado na Figura 10.

Não importa qual o díodo que está a conduzir, a corrente através da resistência de carga R está sempre na mesma direcção. Tanto os meios ciclos positivos como negativos da tensão de entrada causam a corrente através de R na mesma direcção.

A tensão de saída deste rectificador de onda completa é tomada a partir de todo o R. Consiste em impulsos de corrente contínua com o dobro da frequência da tensão de entrada, Figura 11. Para produzir esta rectificação de onda completa neste circuito, a tensão secundária foi cortada pela metade pela torneira central.

Figure 11. As formas de onda de entrada e saída do rectificador de díodos de onda completa.

Os díodos, D1 e D2, utilizados nas Figuras 9 e 10, são embalados individualmente e em pares. A figura 12 mostra um pacote de dois rectificadores. O condutor central é utilizado como ligação para os cátodos. Os cátodos são ligados entre si.

Figure 12. Díodos duplos com uma torneira central.

Retificadores de cristais

Nem sempre é necessário utilizar um transformador de cristais para rectificação de onda completa. A tensão secundária completa pode ser rectificada utilizando quatro díodos num circuito chamado rectificador de ponte, Figura 13 e 14. São mostrados dois circuitos para que a corrente possa ser observada em cada meio ciclo.

Figure 13. Corrente no rectificador de ponte durante o primeiro meio ciclo.

Figure 14. Corrente no rectificador de ponte durante o segundo meio ciclo.

Na Figura 13, o ponto A do secundário do transformador é positivo. A corrente flui na direcção das setas. Quando o ponto B é positivo, a corrente flui como na Figura 14.

Again, notar que a corrente através de R está sempre numa direcção. Ambas as metades da tensão de entrada são rectificadas e a tensão total do transformador é utilizada.

Retificadores de ponte podem ser utilizados em circuitos sem transformadores. Sem transformadores, a tensão ou corrente não será aumentada ou diminuída. Não haverá isolamento. Estes circuitos são também chamados circuitos de ponte operados por linha, Figura 15.

Caution

A ligação directa de um osciloscópio a um rectificador de ponte operado por linha resultará numa terra morta quando a terra do osciloscópio for ligada à ponte de tensão de linha. Um transformador de isolamento com uma relação de 1 para 1 deve ser utilizado para evitar que o condutor de terra do osciloscópio seja ligado ao condutor quente.

Figure 15. Circuito rectificador de ponte operado por linha.

A saída do rectificador de meia-onda ou de onda completa é uma tensão pulsante. Antes de poder ser aplicado a outros circuitos, as pulsações devem ser reduzidas. É necessário um dc mais constante. Pode ser obtido utilizando uma rede de filtros.

Na Figura 16, a linha, Eavg, mostra a tensão média da onda dc pulsante. É igual a 0,637 × tensão de pico. A porção sombreada da onda acima da linha média é igual em área à porção sombreada abaixo da linha.

Movimento acima e abaixo da tensão média é chamado de ondulação ac. É esta ondulação que requer filtragem.

A percentagem de ondulação em relação à tensão de saída deve ser mantida a um valor pequeno. A percentagem de ondulação pode ser encontrada utilizando a fórmula:

Figura 16. Valor médio da saída do rectificador de onda completa.

Capacitor Filters

Um condensador ligado através da saída do rectificador proporciona alguma acção de filtragem, Figura 17. O condensador é capaz de armazenar electrões.

Quando o díodo ou rectificador está a conduzir, o condensador carrega rapidamente até perto da tensão de pico da onda. É limitado apenas pela resistência do rectificador e pela reactância dos enrolamentos do transformador.

Entre as pulsações da onda, a tensão do rectificador cai. O condensador descarrega então através da resistência da carga.

O condensador, com efeito, é uma câmara de armazenamento para electrões. Armazena os electrões no pico de tensão e depois fornece electrões à carga quando a saída do rectificador é baixa. Ver Figura 18.

Figure 17. Acção de filtragem de um condensador.

Figure 18. Entrada e saída do filtro condensador mostrando a mudança na forma de onda.

Capacitores utilizados para este fim são de tipo electrolítico porque são necessárias grandes capacitâncias num espaço limitado. Os valores comuns para os condensadores variam de 4 a 2000 microfarads. As tensões de trabalho dos condensadores devem ser superiores à tensão de pico do rectificador.

LC Filtros

A acção de filtragem pode ser melhorada adicionando um estrangulamento em série com a carga. Este circuito de filtragem LC aparece na Figura 19. O estrangulador do filtro consiste em muitas voltas de fio enrolado num núcleo de ferro laminado.

Figure 19. Uma filtragem adicional é produzida pelo estrangulamento em série com a carga.

Recorde-se que a indutância foi aquela propriedade de um circuito que resistiu a uma mudança de corrente. Um aumento da corrente induziu um contra-emf que se opôs ao aumento. Uma diminuição da corrente induziu uma contra-emf que se opunha à diminuição. Como resultado, o asfixiador opõe-se constantemente a qualquer mudança de corrente. Contudo, oferece muito pouca oposição a uma corrente directa.

Os estranguladores utilizados em rádios têm valores de 8 a 30 henrys. As classificações de corrente variam de 50 a 200 milliamperes.

Gasalhos maiores podem ser usados em transmissores e outros dispositivos electrónicos. A acção de filtragem como resultado do estrangulamento do filtro é mostrada na Figura 20.

Figure 20. As formas de onda mostram a acção filtrante do condensador e estrangulamento juntos.

Um segundo condensador pode ser usado na secção do filtro após o estrangulamento, para proporcionar mais acção filtrante. Ver Figura 21. A acção deste condensador é semelhante à do primeiro condensador. A configuração do circuito aparece como a letra grega π. O filtro é chamado um filtro de secção pi (π).

Figure 21. Pi (π) section filter.

Quando o primeiro componente filtrante é um condensador, o circuito é chamado filtro de entrada do condensador. Quando o estrangulador é o primeiro componente filtrante, chama-se filtro de entrada do estrangulador, Figura 22. O filtro de entrada do estrangulador parece um L invertido, pelo que também é chamado de filtro de secção L. Várias destas secções de filtro podem ser utilizadas em série para fornecer filtragem adicional.

Figure 22. Entrada de estrangulamento filtro L

No filtro de entrada do condensador, o condensador carrega até ao pico da tensão da onda rectificada. Na entrada de estrangulamento, a corrente de carga do condensador é limitada pelo estrangulamento. O condensador não carrega até ao pico de voltagem. Como resultado, a tensão de saída da fonte de alimentação utilizando o filtro de entrada do condensador é superior a uma utilizando o filtro de entrada do estrangulador.

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