Fontes comutadas „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

As fontes comutadas, praticamente, suplantaram do mercado as fontes de alimentação lineares convencionais e, actualmente, representam o grupo mais popular e maior de fontes de alimentação. As suas vantagens, em relação às fontes de alimentação lineares, incluem pequeno tamanho, baixo peso, alta eficiência e desempenho, bem como um bom preço. A desvantagem é o nível de complexidade da construção, bem como um nível muito maior de interferências geradas pela fonte de alimentação e o aumento do nível de interferências de saída.

Princípio de funcionamento de uma fonte comutada 

As fontes comutadas utilizam a modulação por largura de pulso PWM (Pulse Width Modulation), isto é, a tensão de saída da fonte de alimentação é regulada alterando o factor de serviço a uma frequência constante e inalterada.

A redução da duração do pulso (t1) resulta em uma diminuição do valor médio da tensão de saída (U_out) e vice-versa: o aumento da duração do pulso (t1) determina um aumento do valor médio da tensão de saída (U_out). Isto pode ser visto nos gráficos acima:

O valor médio da tensão de saída pode ser facilmente calculado utilizando a seguinte fórmula:

A tensão alternada da rede, por exemplo de 230 V (1), passa através do filtro de entrada com elementos LC (3). Este é um elemento importante que protege a rede eléctrica contra interferências que ocorrem na fonte de alimentação e protege a fonte de alimentação contra interferências procedentes da rede eléctrica. A tensão alternada é rectificada por um rectificador em ponte (4) e, depois da rectificação, a tensão contínua atinge o transformador (8) que é chaveado por um transístor (5), por vezes chamado comutador. O transístor liga e desliga a corrente de forma de onda rectangular com uma frequência definida (que é possível em uma faixa de 20 kHz a várias centenas de kHz e mesmo MHz), utilizando a modulação por largura de pulso PWM. O transistor é controlado pelo circuito de realimentação (6, 7) que compreende um opto-isolador e controlador (driver) PWM. O sistema verifica qual é a tensão de saída e, dependendo de se ela aumenta ou diminui, modifica a largura do pulso (duração) controlando o transístor e regulando de modo que a tensão de saída seja sempre constante. Este sistema, verificando a tensão de saída, opera a alta velocidade, o que permite manter a tensão de saída constante e, à medida que ela aumenta ou diminui, permite corrigir, imediatamente, as variações a fim de a manter a um nível constante. A tensão rectangular, na saída do transformador (8), é rectificada (9) e, depois, passa através do filtro de saída (10) que deve “bloquear” as harmónicas superiores e as interferências geradas pelo funcionamento do conversor. Na saída (11) da fonte comutada, é obtida uma tensão contínua estabilizada.

Algumas sugestões relativas aos parâmetros a ter em conta ao escolher uma fonte comutada. 

Tensão de entrada (Input Voltage) 

Na Polónia e na União Europeia, a tensão da rede eléctrica é de 230 V AC (excepto o Reino Unido - 240 V AC). As normas permitem um desvio de 10%, isto é, a tensão da rede pode variar de 207 V a 253 V AC. Portanto, é aconselhável escolher uma fonte de alimentação com uma ampla gama de tensão de entrada, por exemplo, 100–264 V AC.

Corrente de partida (Max Inrush Current) 

Depois de ligar a fonte de alimentação, ocorre um grande impulso de corrente que pode atingir valores elevados, dependendo da potência da fonte de alimentação, da ordem de várias dezenas de amperes, que dura até 1 período, ou seja, até 20 ms a uma frequência de 50 Hz AC. Este fenómeno é causado pelo carregamento dos condensadores de entrada. Isso pode criar um problema, por exemplo, ao ligar mais fontes de alimentação ao mesmo tempo ou utilizar uma fonte de alimentação com maior potência. Uma corrente de partida elevada pode causar a activação das protecções na rede eléctrica (fusíveis, disjuntores, etc.). A solução para esta situação é a substituição de fusíveis de sobrecorrente com o tipo C ou D.

Eficiência (Efficiency) 

Esta é a relação entre a potência de saída da corrente contínua (entregue pela fonte de alimentação) e a potência de entrada da corrente alternada (consumida da rede eléctrica), expressa como uma percentagem.

A eficiência é marcada com a letra do alfabeto grego “eta”: η. Em qualquer dispositivo que converte a energia, uma parte de potência consumida é perdida e, por conseguinte, a eficiência permite estimar a perda de potência. Deve-se prestar atenção a este parâmetro, pois quanto maior for a eficiência, menos energia será perdida, por conseguinte, diminuirá a temperatura no interior da fonte de alimentação, e, portanto, maior será a confiabilidade e durabilidade do dispositivo. As fontes de alimentação actualmente fabricadas alcançam uma eficiência > 90% (as fontes de alimentação com transformador/fontes de alimentação lineares têm uma eficiência energética baixa, não mais de 50%).

Exemplo 1.
Temos uma fonte de alimentação com uma potência de saída de 100 W que consome 117,6 W da rede eléctrica. Vamos calcular a sua eficiência.

Na maioria dos casos, as especificações da fonte de alimentação indicam a potência de saída e a eficiência. Os fabricantes não especificam a quantidade de energia consumida pela fonte de alimentação. Isto pode ser facilmente calculado substituindo os valores na fórmula convertida.

Exemplo 2.
Temos uma fonte de alimentação com uma potência de saída de 150 W e eficiência de 86%. Vamos calcular quanta energia é consumida da rede eléctrica.

Também se pode calcular, facilmente, a quantidade de energia perdida em forma de calor nesta fonte de alimentação (P_d – perda de potência), utilizando uma fórmula simples (a potência entregue é subtraída da potência consumida).

Neste caso, 24,4 W é perdido em forma de calor, naturalmente, a plena carga. O valor de 24,4 W aumenta a temperatura no interior da caixa e aquece os componentes internos.

MTBF - tempo médio entre falhas (Mean Time Between Failure) 

Ele é expresso em horas e esta informação se refere à fiabilidade do dispositivo.

Muitas vezes, este parâmetro não é interpretado correctamente. Por exemplo, o MTBF da fonte de alimentação é de 700 000 horas, ou seja, quase 80 anos. Isso não significa que a fonte de alimentação funcionará, perfeitamente, por todo esse tempo.

Os modos e métodos de cálculo do MTBF foram introduzidos pelo exército dos EUA em 1965 com a publicação do modelo MIL-HDBK-217. O modelo continha a frequência de falhas para vários componentes electrónicos, tais como condensadores, resistores, transístores. Neste modelo, foram publicados os métodos de cálculo da taxa de falhas. O objectivo foi a padronização de métodos de avaliação da confiabilidade dos dispositivos electrónicos e equipamentos militares.

Além do modelo MIL-HDBK-217, também são utilizados outros métodos de cálculo do parâmetro MTBF que podem ser encontrados nas especificações técnicas dos equipamentos electrónicos. Todos os modelos têm diferentes algoritmos de cálculo da confiabilidade. Exemplos de métodos: HRD5, Telcordia, RBD, modelo de Markov, FMEA/FMECA, árvore de falhas, HALT.

Ao saber o tempo médio entre falhas, podemos calcular a probabilidade de falha do dispositivo antes da expiração do tempo MTBF. Esta informação é muito útil porque permite avaliar a taxa de falhas do sistema. Em geral, o princípio é simples: quanto maior for o MTBF, mais confiável será o dispositivo.

Note-se que o MTBF sempre indica o tempo após o qual a confiabilidade do dispositivo é reduzida para 36,8%. 

Com palavras: 2,718 elevado à potência negativa do tempo de funcionamento dividido pelo MTBF.

Vamos calcular a taxa de falhas de dispositivo cujo MTBF é de 50 000 horas depois de 50 000 horas.

Portanto, o dispositivo com o MTBF = 50 000 horas tem uma fiabilidade de 36,8% depois de 50 000 horas. Em outras palavras, após 50 000 horas, é provável que por cada 100 dispositivos ~37 deles serão eficientes e 63 deles falharão.

Por exemplo, vamos ver a probabilidade de falha, em 3 anos, para duas fontes de alimentação com MTBF diferente.

1. MTBF = 50 000 horas, 3 anos = 3 anos x 24 horas x 365 dias = 26 280 horas e, logo, substituímos na seguinte fórmula:

Este resultado mostra a probabilidade que, após 3 anos, 59,1% de fontes de alimentação operarão sem qualquer problema (por exemplo, por cada 100 dispositivos ~59 serão eficientes e 41 deles falharão).

2. MTBF = 700 000 horas, 3 anos = 3 anos x 24 horas x 365 dias = 26 280 horas e, logo, substituímos na seguinte fórmula.

Este caso mostra a probabilidade que, após 3 anos, 97,1% de fontes de alimentação operarão sem qualquer problema (por exemplo, por cada 100 dispositivos ~97 serão eficientes e 3 deles falharão).

Na maioria dos casos, o parâmetro MTBF é especificado pelo fabricante em relação ao funcionamento do dispositivo a uma temperatura ambiente de 25°C. Quando o dispositivo opera a temperaturas mais altas, um aumento da temperatura ambiente de 10°C reduz o MTBF duas vezes. Por que alguns dispositivos têm o MTBF alto e outros, o MTBF baixo? As diferenças são devidas à qualidade dos componentes utilizados e ao nível de complexidade do dispositivo. Nem todos os fabricantes indicam esse parâmetro nas especificações técnicas.

Tensão de saída (Output Voltage) 

A tensão de saída é a tensão que deve ser estabilizada com variações da carga da fonte de alimentação de 0 a 100%. Note-se que, em todas as fontes de alimentação, o ruído, a ondulação e as interferências são sobrepostas à tensão contínua de saída. Elas podem ter uma amplitude de até várias centenas de mVp-p. Às vezes, o valor demasiado alto da ondulação da tensão de saída poderá causar problemas, se o dispositivo alimentado for vulnerável à ondulação, por exemplo, interferências na imagem da câmara, em aplicações de CCTV, ou reinícios frequentes de um dispositivo electrónico.

A seguinte captura de ecrã mostra um oscilograma de ondulação da tensão de uma fonte comutada de 12 V.

Resposta dinâmica (Dynamic Response) 

Cada fonte de alimentação deve fornecer, para a carga, uma tensão de saída de valor constante que não varia com a alteração da corrente de carga. No entanto, às vezes, ocorrem umas alterações súbitas da carga (por exemplo, é ligado/desligado o iluminador de infravermelhos em uma câmara de CCTV ou é ligada/desligada a carga adicional). Ao alterar a carga de 0 a 100% (ou vice-versa), ocorrem as interferências e flutuações da tensão de saída que podem afectar o funcionamento de outros dispositivos ligados à fonte de alimentação.

A maioria das fontes comutadas têm os sistemas de protecção da saída contra curto-circuitos e sobrecargas. Uma vez que são usados diferentes métodos de protecção, é necessário seleccionar, correctamente, a fonte de alimentação para o tipo de carga. Os motores, lâmpadas, cargas de alta capacidade, indutância, etc., ou seja, as chamadas cargas com características não lineares podem requerer um grande impulso de corrente, no arranque, que é consideravelmente mais elevado do que a corrente nominal máxima da fonte de alimentação. Isto pode causar activação das protecções e impedir a ligação da fonte de alimentação. Pode acontecer, na prática, que a fonte de alimentação, por exemplo, de 12 V 50 W, não será capaz de se ligar, depois de ligar uma carga de 12 V 30 W (por exemplo, lâmpada, motor).

Os desenhadores de fontes de alimentação usam diferentes métodos de protecção contra curto-circuitos e sobrecargas. As protecções devem proteger a fonte de alimentação e a carga. A seguir, são descritas as protecções mais comuns.

Modo soluço (Hiccup mode) 

Esta é uma protecção usada muito frequentemente (inglês hiccup – hipo) cuja vantagem é uma baixa perda de potência das fontes de alimentação, em caso de sobrecarga ou curto-circuito, e retorno automático para a operação normal após a cessação da causa do curto-circuito ou sobrecarga.

No tempo A, ocorre uma sobrecarga ou curto-circuito. A alimentação é desligada. Na saída, ocorre um impulso de corrente com duração muito curta (por exemplo, 100 ms) e um valor de até 150% da corrente máxima. A fonte de alimentação envia este impulso a cada poucos segundos, até à cessação da causa da sobrecarga ou curto-circuito (B), então vá para o modo de operação normal. Na maioria dos casos, o limiar de activação desta protecção (desligamento da fonte de alimentação) é configurado para 110–150% da corrente nominal (I_out). Muitas vezes, este modo é integrado com a protecção térmica. Se a carga consumir mais corrente do que a corrente nominal, mas abaixo do limiar de activação da protecção, depois de um curto período de tempo, é activada a protecção térmica, desligando a alimentação, e a fonte de alimentação entra no modo hiccup até à cessação da causa da sobrecarga.

Curva A – limitação de corrente (Foldback Current Limiting)
Este tipo de protecção também é usado em fontes de alimentação lineares. O excesso da corrente máxima (redução da resistência da carga) é seguido pela sua diminuição (redução). Em outras palavras, se diminuir a resistência da carga, a corrente será reduzida. A vantagem desta solução é uma baixa perda de potência da fonte de alimentação em caso de sobrecarga ou curto-circuito. No entanto, com esta solução, a fonte de alimentação não se liga a uma carga com uma corrente de partida elevada (por exemplo, alta capacidade).

Curva B – estabilização da corrente (Constant Current Limiting)
Depois de exceder a corrente máxima (diminuição da resistência da carga), a fonte de alimentação mantém a corrente de saída constante, independentemente do valor da sobrecarga, enquanto diminui a tensão de saída. Muitas vezes, também é usada a segunda protecção que desactiva a fonte de alimentação quando a tensão cai para alguns volts. Uma grande desvantagem deste método é a grande perda de potência, na fonte de alimentação, e uma corrente elevada que flui através da carga e pode causar danos. Este tipo de protecção é usado para ligar a fonte de alimentação com cargas de características não-lineares.

Curva C – limitação da potência (Over Power Limiting)
Depois de exceder a corrente máxima (redução da resistência da carga), a potência de saída da fonte de alimentação permanece constante. Com o aumento da carga, a tensão e a corrente de saída caem de acordo com as características C. Este tipo de protecção é usado para ligar a fonte de alimentação com cargas de características não-lineares.

Temperatura de funcionamento (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Dependendo da eficiência da fonte de alimentação, uma parte de energia entregue à fonte de alimentação é perdida em forma de calor, a temperatura, dentro da fonte de alimentação, aumenta em relação à temperatura exterior. As fontes de alimentação de alta qualidade que funcionam a uma temperatura de 25°C podem se aquecer até 50–70°C. A uma temperatura ambiente de 50°C, podem aquecer-se até 75–95°C.

É muito importante entender que a temperatura de operação afecta, directamente, a vida útil do dispositivo e a sua confiabilidade. As fontes comutadas têm uma estrutura complexa e são constituídas por um grande número de componentes electrónicos que podem ser colocados próximos uns dos outros no interior da caixa da fonte de alimentação. A temperatura interna demasiado elevada pode causar danos internos à fonte de alimentação e reduzir, significativamente, a sua vida útil. Note-se que há uma forte dependência entre a potência de saída e a temperatura. É imperativo evitar a operação da fonte de alimentação a temperaturas superiores a 50°C, mesmo que, muitas vezes, os fabricantes indicam as temperaturas de operação superiores a este valor. Neste caso, leia, atentamente, a documentação técnica.

Como mostrado, na figura, a fonte de alimentação pode fornecer a potência total para a carga, mas apenas até uma temperatura de 50°C. Ao trabalhar a uma temperatura de 70°C, o dispositivo pode ser carregado a 50%, isto é, à metade da corrente máxima.

Os condensadores electrolíticos são os componentes mais sensíveis ao aumento da temperatura. Na prática, todas as fontes de alimentação contêm algumas unidades desses condensadores. Os fabricantes de condensadores indicam um parâmetro crítico, isto é, a vida útil para a temperatura máxima. Ao reduzir a temperatura de 10°C, a vida do condensador electrolítico é duplicada. Por exemplo, os condensadores electrolíticos padrão têm uma vida útil de 1000 horas a uma temperatura de 105°C.

Isto é:

Estas durações não significam o fim da vida útil do condensador, mas o tempo após o qual ocorre uma deterioração significativa dos seus parâmetros (capacidade, resistência em série, etc.), o que, muitas vezes, conduz a uma falha.

Como pode ser visto no exemplo acima, a temperatura mais baixa = maior vida útil. Há condensadores com uma vida útil várias vezes maior, porém, isso se traduz em um preço mais elevado. É o fabricante quem decide quais os componentes a serem utilizados. Em fontes de alimentação económicas, não são usados os componentes mais caros com uma vida útil maior.