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Split Core Current Transformers
No vasto conjunto dos equipamentos eletrónicos, a fonte de alimentação é essencial para garantir um funcionamento estável. As fontes de alimentação comutadas e lineares, dois tipos comuns, apresentam diferenças claras em vários aspetos, que afetam diretamente a sua adequação a diferentes aplicações. Compreender estas diferenças é importante tanto para engenheiros eletrónicos que projetam circuitos como para entusiastas que mantêm e utilizam equipamentos eletrónicos.
O funcionamento da fonte de alimentação comutada baseia-se em ligar e desligar um transístor de comutação a alta frequência. Tomemos como exemplo um circuito redutor Buck comum:
Fase de condução: quando o transístor de comutação liga, a tensão de entrada é aplicada à bobina, que começa a armazenar energia. Ao mesmo tempo, a corrente alimenta a carga e carrega o condensador de saída, enquanto a corrente na bobina aumenta gradualmente.
Fase de desligamento: quando o transístor de comutação desliga, a corrente na bobina não pode variar instantaneamente. Por isso, fecha o circuito através do díodo de roda livre, continua a alimentar a carga e diminui gradualmente.
Método de controlo: a tensão de saída é controlada com precisão ajustando a proporção do tempo de condução do transístor de comutação em cada ciclo de comutação (ou seja, o ciclo de trabalho).
Por exemplo, a conversão de uma entrada de 12V numa saída de 5V é obtida ajustando o ciclo de trabalho. A frequência de funcionamento da fonte de alimentação comutada situa-se normalmente entre dezenas de kHz e vários MHz. O funcionamento a alta frequência permite utilizar bobinas, condensadores e outros componentes de armazenamento de energia de dimensões reduzidas, aumentando a densidade de potência.
As fontes de alimentação lineares utilizam as características de amplificação linear de componentes de regulação linear (como o transformador linear) para estabilizar a tensão de saída:
Processo básico: a tensão de entrada em CA é primeiro reduzida pelo transformador e depois convertida em CC pelo retificador. Após uma filtragem inicial pelo condensador, o transístor de regulação linear ajusta continuamente a sua resistência interna de acordo com o sinal de realimentação, para estabilizar a tensão de saída.
Estado de funcionamento: o transístor de regulação linear funciona sempre na região de amplificação linear e a corrente passa continuamente, assegurando a estabilidade do processo de regulação da tensão.
Este método de regulação contínua torna a tensão de saída mais estável e é adequado para aplicações que exigem elevada precisão da tensão.
A eficiência de uma fonte de alimentação comutada situa-se normalmente entre 70% e 95%, sobretudo devido às seguintes características:
Quando está ligado: a resistência interna do transístor de comutação é extremamente baixa, pelo que a perda de energia sob a forma de calor é reduzida durante a passagem da corrente.
Quando está desligado: praticamente não passa corrente, pelo que a perda de potência é desprezável.
Apenas no momento da comutação: ocorre alguma perda devido à sobreposição da tensão e da corrente, mas a sua proporção global é pequena.
Em aplicações de alta potência (como fontes de alimentação para servidores e equipamentos industriais), a elevada eficiência das fontes de alimentação comutadas pode reduzir significativamente o consumo de energia e os custos de funcionamento.
A eficiência de uma fonte de alimentação linear situa-se geralmente entre 30% e 60%, principalmente porque:
O transístor de regulação linear precisa de dissipar continuamente energia para ajustar a tensão de saída.
Quando a diferença entre as tensões de entrada e de saída é grande, a perda de potência no transístor de regulação é significativa e uma grande quantidade de energia elétrica é dissipada sob a forma de calor.
Por exemplo, com uma entrada de 12V e uma saída de 5V, o transístor de regulação tem de suportar uma queda de tensão de 7V, dissipando a energia correspondente sob a forma de calor. Por isso, as fontes de alimentação lineares são utilizadas sobretudo em aplicações de baixa potência em que se aceita uma menor eficiência.
Devido ao seu funcionamento por impulsos, a fonte de alimentação comutada apresenta uma ondulação de saída elevada. Embora seja possível reduzi-la acrescentando um circuito de filtragem (por exemplo, um condensador eletrolítico e um condensador cerâmico em paralelo), a ondulação continua a ser superior à de uma fonte de alimentação linear.
Aplicações adequadas: equipamentos com requisitos pouco exigentes quanto à ondulação, como fontes de alimentação comuns para acionamento de motores.
Aplicações limitadas: circuitos com requisitos exigentes quanto à limpeza da alimentação, como o processamento de sinais analógicos de precisão ou equipamentos de áudio de gama alta.
Graças à regulação linear e à filtragem, a fonte de alimentação linear apresenta uma ondulação de saída extremamente reduzida e é adequada para:
Equipamentos de medição de alta precisão (como osciloscópios e instrumentos de diagnóstico médico)
Sistemas com requisitos muito exigentes de estabilidade da tensão (como instrumentos de investigação científica e circuitos amplificadores de precisão)
A fonte de alimentação comutada funciona a uma frequência elevada, pode utilizar bobinas e condensadores pequenos e dispensa grandes transformadores de frequência de rede. Por isso, apresenta:
Dimensões reduzidas e baixo peso
Elevada densidade de potência: pode fornecer mais potência para o mesmo volume
É amplamente utilizada em dispositivos portáteis (como carregadores de telemóveis e adaptadores de alimentação para tablets) e em sistemas com limitações de espaço rigorosas.
A fonte de alimentação linear funciona a uma frequência baixa e requer transformadores de potência de grandes dimensões e condensadores de filtragem de elevada capacidade, o que resulta em:
Grandes dimensões e peso elevado
Inadequação para equipamentos com pouco espaço disponível
Em aplicações como equipamentos médicos portáteis e pequenos drones, a utilização de fontes de alimentação lineares pode ser limitada pelo seu volume
Devido à presença de componentes de armazenamento de energia, como bobinas e condensadores, o ajuste da tensão de saída demora algum tempo quando a carga muda subitamente. Embora seja possível melhorar a velocidade de resposta otimizando o circuito de controlo, esta melhoria é limitada pelas características dos componentes de armazenamento de energia.
Aplicações adequadas: equipamentos em que as alterações de carga são pouco frequentes
O transístor de regulação de uma fonte de alimentação linear consegue ajustar rapidamente a sua resistência interna e responder às alterações de carga. É adequado para:
Amplificadores de áudio (que precisam de acompanhar rapidamente o sinal áudio)
Sistemas de aquisição de dados de alta velocidade
Sistemas de controlo de movimento de precisão
A fonte de alimentação comutada gera harmónicas de alta frequência ao ligar e desligar a alta frequência, causando uma forte interferência eletromagnética (EMI):
Interferência conduzida: propaga-se pela linha de alimentação
Interferência radiada: propaga-se pelo espaço
Para reduzir a interferência, são necessárias medidas de filtragem, blindagem e otimização da disposição dos componentes na placa de circuito impresso, o que aumenta a complexidade e o custo do projeto.
A fonte de alimentação linear funciona a uma frequência baixa e as principais fontes de interferência eletromagnética são o fluxo de dispersão do transformador e o ruído do retificador. A frequência e a intensidade da interferência são baixas, pelo que quase não são necessárias medidas adicionais de supressão.
Aplicações adequadas: ambientes sensíveis à interferência eletromagnética, como locais próximos de equipamentos de comunicação sem fios
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