Em comparação com as fontes de alimentação lineares tradicionais, as fontes de alimentação comutadas (SMPS) oferecem maior eficiência e ocupam menos espaço, mas é necessário manter o ruído de saída num nível baixo.
Visão geral das fontes de alimentação comutadas
As fontes de alimentação comutadas são amplamente utilizadas devido às suas vantagens em termos de dimensões, peso, custo, eficiência e desempenho global.
Graças a estas vantagens de desempenho, as fontes de alimentação comutadas são utilizadas na maioria dos sistemas eletrónicos para fornecer energia com eficiência, exceto nas aplicações mais exigentes.
As fontes de alimentação comutadas tornaram-se uma tecnologia amplamente aceite na eletrónica. Também são habitualmente designadas por conversores de potência comutados ou, simplesmente, por «conversores comutados».
Terminologia das fontes de alimentação comutadas
São utilizados vários termos próximos para descrever a tecnologia das fontes de alimentação comutadas (SMPS). Embora todos se refiram à mesma tecnologia de base, descrevem partes diferentes do sistema completo.
- Fonte de alimentação comutada (SMPS): este termo refere-se geralmente a uma unidade completa que se liga à rede elétrica ou a outra fonte de energia externa e produz uma saída regulada. Por outras palavras, é uma fonte de alimentação completa.
- Regulador comutado: refere-se geralmente apenas ao circuito eletrónico que efetua a regulação de tensão. Um regulador comutado é uma parte de uma fonte de alimentação comutada completa.
- Controlador de regulador comutado: muitos circuitos integrados de reguladores comutados não incluem o elemento de comutação em série. Isto é particularmente comum em aplicações de corrente ou tensão mais elevada, nas quais um elemento de comutação em série externo suporta melhor a corrente, a tensão e a dissipação de potência resultante.
Fundamentos das fontes de alimentação comutadas
O conceito básico de uma fonte de alimentação comutada (SMPS) consiste em utilizar um regulador comutado para controlar a tensão de saída. Este utiliza um elemento de comutação em série que liga e desliga periodicamente a corrente que chega a um condensador de filtragem.
O tempo de condução do elemento em série é controlado pela tensão aos terminais do condensador. Se a tensão subir acima do valor necessário, o elemento de comutação em série desliga; se descer abaixo desse valor, liga. Desta forma, a tensão aos terminais do condensador de filtragem ou de armazenamento de energia mantém-se no nível necessário.
Princípio de funcionamento de um regulador comutado
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Vantagens e desvantagens das fontes de alimentação comutadas
Qualquer tecnologia exige, em geral, uma avaliação cuidada das suas vantagens e desvantagens. As fontes de alimentação comutadas não são exceção: oferecem vários benefícios claros, mas também têm limitações.
Vantagens das fontes de alimentação comutadas
- Elevada eficiência: devido ao funcionamento por comutação, o elemento regulador em série está ligado ou desligado. Assim, é dissipada muito pouca energia sob a forma de calor, o que permite uma eficiência muito elevada.
- Design compacto: a elevada eficiência e a reduzida necessidade de dissipação de calor permitem fabricar fontes de alimentação comutadas mais compactas.
- Custo: o custo é um dos aspetos mais atrativos das fontes de alimentação comutadas. A sua elevada eficiência e o funcionamento por comutação fazem com que dissipem menos calor do que as fontes de alimentação lineares, ajudando a reduzir os custos. Além disso, a comutação permite utilizar componentes de menor custo em muitas partes do circuito.
- Flexibilidade técnica: a tecnologia das fontes de alimentação comutadas pode ser utilizada tanto para elevar como para reduzir a tensão, permitindo uma conversão eficiente.
Desvantagens das fontes de alimentação comutadas
- Ruído: os picos transitórios gerados durante a comutação são uma das principais desvantagens das fontes de alimentação comutadas. Se não forem devidamente filtrados, podem propagar-se a diferentes partes dos circuitos alimentados pela SMPS. Os picos ou perturbações transitórias também podem produzir interferência eletromagnética ou de radiofrequência que afeta equipamentos eletrónicos próximos, especialmente recetores de rádio.
- Componentes externos: embora seja possível conceber um regulador comutado em torno de um único circuito integrado, normalmente continuam a ser necessários componentes externos. O mais evidente é o condensador de armazenamento de energia, sendo também necessários componentes de filtragem. Em alguns projetos, o elemento de comutação em série pode ser integrado no chip, mas, quando é necessário fornecer uma determinada corrente, o elemento de comutação em série é geralmente externo. Estes componentes ocupam espaço e aumentam o custo.
- Necessidade de conhecimentos especializados de projeto: construir uma fonte de alimentação comutada funcional geralmente não é difícil, mas garantir que cumpre os requisitos de desempenho especificados pode ser mais exigente. Em particular, manter a ondulação e a interferência dentro dos limites exigidos pode ser bastante difícil.
- Filtragem: a filtragem de uma fonte de alimentação comutada deve ser cuidadosamente concebida, pois um filtro mal projetado pode causar níveis elevados de ruído e picos na saída.
