108873_Jeferson

UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
JEFERSON RICARDO DE ALMEIDA
VALIDAÇÃO DE FONTES CHAVEADAS:
PRINCIPAIS PARÂMETROS AVALIADOS EM UMA FONTE CHAVEADA
Palhoça
2013
JEFERSON RICARDO DE ALMEIDA
VALIDAÇÃO DE FONTES CHAVEADAS:
PRINCIPAIS PARÂMETROS AVALIADOS EM UMA FONTE CHAVEADA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso
de Graduação em Engenharia de Elétrica Telemática da
Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito
parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Fabio Ignácio da Rosa, Eng.
Palhoça
2013
JEFERSON RICARDO DE ALMEIDA
VALIDAÇÃO DE FONTES CHAVEADAS:
PRINCIPAIS PARÂMETROS AVALIADOS EM UMA FONTE CHAVEADA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado
adequado à obtenção do título de Engenheiro Eletricista
e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação
em Engenharia Elétrica-Telemática da Universidade do
Sul de Santa Catarina.
Palhoça, 29 de Novembro de 2013.
______________________________________________________
Prof. e Orientador Fabio Ignácio da Rosa, Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Prof. Anderson Soares André, Dr. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Profª. Sheila Santisi Travessa, M. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
Dedico a todos aqueles que acreditaram e que
torceram pela minha vitória...
AGRADECIMENTOS
A Deus, por toda força e proteção que me concede a cada dia, sinto que sou
abençoado.
A minha mãe, pai e irmã, pelos sacrifícios que fizeram, por serem exemplos de
vida e por sempre estarem ao meu lado nos momentos difíceis, amo vocês.
Aos meus sogros e a família da minha esposa, por estarem sempre ao meu lado,
zelando pelo meu caminho, amo vocês.
Agradeço também ao imprescindível apoio da minha instituição de ensino e aos
meus professores, que, de maneira exímia, ministraram seu conhecimento, nos tornando mais
capazes a cada dia.
Ao meu orientador Fabio Ignácio da Rosa, a quem devo por grandes lições,
principalmente por não ter me deixado desistir.
A professora Sheila Santisi Travessa e ao professor Anderson Soares André por
terem aceitado compor a banca.
Aos meus colegas de curso, principalmente ao Jefinho e Marcão, que se
dispuseram sempre a me ajudar nos momentos que mais precisei.
A Intelbras pelo tempo que deixei me dedicar e pelo espaço e equipamentos
cedidos. Aos meus colegas de trabalho pela paciência e pela disposição em me ajudar sempre
que for necessário.
Ao meu filhote Bartolomeu, meu companheiro canino, que mudou a sua rotina de
sono para que pudesse me acompanhar nas longas jornadas.
A minha amada esposa Layse, que me ensinou o sentido da vida e a nunca desistir
de nossos objetivos. Obrigado por estar sempre ao meu lado, pelos sacrifícios que fez e por
estar sempre me guiando e me apoiando nos momentos difíceis. No teu sorriso encontrei a
alegria de viver e no teu abraço a paz que preciso. Te amo minha vida.
“Tenha fé em si mesmo, porque Deus habita dentro de você. Portanto ter fé em si mesmo é ter
fé em Deus. Tenha confiança em suas capacidades, e caminhe sem temer obstáculos.
Corresponda à confiança que Deus depositou em você quando lhe entregou capacidades”.
Minutos de Sabedoria
RESUMO
Este trabalho de conclusão de curso se propõe a apresentar os principais parâmetros que
devem ser analisados em uma fonte chaveada, buscando identificar se a fonte avaliada atende
as características necessárias impostas pela carga que está sendo alimentada. Nos capítulos
iniciais é apresentada toda a fundamentação teórica e procedimentos necessários para
avaliação dos parâmetros citados. Na sequência serão avaliadas dois modelos de fontes
chaveadas buscando aplicar os conhecimentos e avaliar os resultados obtidos. Nesse sentido, a
discussão de algumas características e testes para validação desses parâmetros toma grande
relevância para garantir condições de qualidade ao produto e segurança ao equipamento que
está sendo alimentado pela fonte chaveada.
Palavra chave: Fonte(s) chaveada(s); Qualidade; Segurança.
ABSTRACT
This course conclusion work aims to present the main parameters that should be analyzed in
a switching power supply in order to identify whether the evaluated source meets the required
characteristics imposed by the load that is being fed. In the opening chapters all theoretical
reasoning and procedures necessary to review the parameters mentioned is presented. In the
sequel will be evaluated two models of switching power supplies seeking to apply the
knowledge and evaluate the results. In this sense, the discussion of some features and tests to
validate these parameters takes great importance to ensure a quality product and the safety
equipment that is being powered by the switching power supply.
Keyword: Source, Switching, Quality, Safety.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Comparação entre fonte linear e fonte chaveada. .................................................... 20
Figura 2 - Envelope de tolerância de tensão típica para sistema de tecnologia da informação
(Curva CBMA - superior e Curva ITIC - inferior). .................................................................. 23
Figura 3 - Tensão de carga de um retificador monofásico de onda completa. ......................... 26
Figura 4 - Teste para verificação do tempo de tensão de saída. ............................................... 28
Figura 5 - Causas de mau funcionamento em equipamentos ................................................... 29
Figura 6 - Temperatura de superfície sem dissipador............................................................... 30
Figura 7 - Temperatura de superfície com dissipador. ............................................................. 30
Figura 8 - Interferência Eletromagnética. ................................................................................. 31
Figura 9 - Circuito típico com filtro de linha............................................................................ 34
Figura 10 – Leitura da tensão de saída da fonte (carga nominal). ............................................ 35
Figura 11 – Leitura da tensão de saída da fonte (sem carga). .................................................. 35
Figura 12 - Teste de regulação de linha. ................................................................................... 36
Figura 13 - Setup de teste para obtenção do ripple. ................................................................. 38
Figura 14 - Setup de teste para obtenção de eficiência da fonte. .............................................. 39
Figura 15 - Teste para verificação do tempo da tensão de saída. ............................................. 41
Figura 16 - Câmara Semi-Anecóica. ........................................................................................ 43
Figura 17 - Instrumentação de medida. .................................................................................... 44
Figura 18 - Diagrama para o ensaio de emissão radiada. ......................................................... 44
Figura 19 - Limites de IEM irradiada para equipamento ISM, grupo 1, classe B. ................... 45
Figura 20 - Impedância de linha normatizada (LISN) .............................................................. 46
Figura 21 - Área de ensaios de emissão conduzida. ................................................................. 46
Figura 22 - Limites de IEM conduzida pela norma CISPR 11. ................................................ 47
Figura 23 - Setup de teste. ........................................................................................................ 49
Figura 24 - Forma de onda da tensão de saída mensurada (A). ................................................ 50
Figura 25 - Forma de onda da tensão de saída mensurada (B). ................................................ 51
Figura 26 - Tensão de Ripple (A). ............................................................................................ 52
Figura 27 - Tensão de Ripple (B). ............................................................................................ 53
Figura 28 - Setup de testes. ....................................................................................................... 55
Figura 29 - Hold-up Amostra A. .............................................................................................. 56
Figura 30 - Hold-up Amostra B. ............................................................................................... 56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Resultados obtidos em regulação de carga (A). ...................................................... 48
Tabela 2 - Resultados obtidos em regulação de carga (B). ...................................................... 49
Tabela 3 - Resultados obtidos em regulação de linha (A). ....................................................... 50
Tabela 4 - Resultados obtidos em regulação de linha (B). ....................................................... 51
Tabela 5 - Resultados obtidos em Eficiência (A). .................................................................... 54
Tabela 6 - Resultados obtidos em Eficiência (B). .................................................................... 54
LISTA DE SIGLAS
CA -
Corrente Alternada;
CBMA -
Computer Business Equipament Manufacture’s Association;
CC -
Corrente Contínua;
CISPR -
Special International Committee on Radio Interference;
Di/dt -
Variação da corrente pelo tempo;
Dv/dt -
Variação da tensão pelo tempo;
EMI -
Eletromagnetic Interference;
IEEE -
Institute of Eletrical and Eletronics Engineers;
IEM -
Interferência Eletromagnética;
ITIC -
Information Tecnology Industry Council;
LISN -
Line Impedance Stabilization Network;
LR -
Regulação de tensão ou carga;
VDE -
Association for Electrical, Electronic & Information Technologies.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 12
1.1 TEMA ......................................................................................................................................... 12
1.2 PROBLEMA............................................................................................................................... 13
1.3 JUSTIFICATIVA ....................................................................................................................... 15
1.4 OBJETIVOS ............................................................................................................................... 16
1.4.1 Geral ....................................................................................................................................... 16
1.4.2 Específicos .............................................................................................................................. 16
1.5 DELIMITAÇÃO ......................................................................................................................... 17
1.6 PROPOSTA DA SOLUÇÃO ...................................................................................................... 17
1.7 METODOLOGIA DA PESQUISA............................................................................................. 18
1.8 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA........................................................................................... 18
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................................... 19
2.1 FONTES CHAVEADAS ............................................................................................................ 19
2.2 CARACTERIZAÇÃO DO DESEMPENHO DE FONTES CHAVEADAS ............................... 21
2.3 REQUISITOS DE QUALIDADE NA ALIMENTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS SENSÍVEIS 21
2.3.1 Regulação de carga ................................................................................................................ 24
2.3.2 Regulação de linha ................................................................................................................. 25
2.3.3 Fator de Ripple ....................................................................................................................... 25
2.3.4 Eficiência ................................................................................................................................ 27
2.3.5 Tempo de sustentação da tensão de saída (hold-up) ............................................................ 28
2.3.6 Temperatura........................................................................................................................... 29
2.3.7 Interferência Eletromagnética (IEM) ................................................................................... 31
2.3.7.1 Interferência Eletromagnética Irradiada................................................................................. 32
2.3.7.2 Interferência Eletromagnética Conduzida pela Rede ............................................................. 33
3 PROCEDIMENTOS PARA VALIDAÇÃO DOS PARÂMETROS CITADOS ...................... 35
3.1 REGULAÇÃO DE CARGA ....................................................................................................... 35
3.2 REGULAÇÃO DE LINHA ........................................................................................................ 36
3.3 RIPPLE ....................................................................................................................................... 37
3.4 EFICIÊNCIA .............................................................................................................................. 39
3.5 TEMPO DE SUSTENTAÇÃO DE SAÍDA (HOLD-UP) ........................................................... 40
3.6 INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA .............................................................................. 42
3.6.1 Ensaios de emissão radiada ................................................................................................... 42
3.6.2 IEM conduzida pela rede....................................................................................................... 45
4 RESULTADOS............................................................................................................................. 48
4.1 REGULAÇÃO DE CARGA ....................................................................................................... 48
4.2 REGULAÇÃO DE LINHA ........................................................................................................ 49
4.3 RIPPLE ....................................................................................................................................... 52
4.4 EFICIÊNCIA .............................................................................................................................. 53
4.5 TEMPO DE SUSTENTAÇÃODA TENSÃO DE SAÍDA (HOLD-UP) ..................................... 55
5
CONCLUSÃO .............................................................................................................................. 57
6
REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 58
12
1
INTRODUÇÃO
Abordam-se neste capítulo as definições do projeto: tema, problema, justificativa,
objetivo geral e específico, delimitação e proposta da solução.
1.1
TEMA
A disponibilidade de energia elétrica possibilita uma melhor qualidade de vida ao
ser humano devido a grande variedade de equipamentos eletrônicos concebidos, permitindo
assim um maior conforto e comodidade da realização de tarefas essenciais do dia-a-dia.
(MEHL, EDWALDO 2005, p.1). Muito mais do que um artigo de luxo, a energia elétrica
tornou-se um item de sobrevivência básica desde que seu uso se difundiu, bem como toda a
tecnologia que depende de seu provimento para exercer sua função. Assim, agregou-se
versatilidade e rapidez à vida cotidiana.
No entanto, a qualidade da energia fornecida a esses equipamentos pode
influenciar no bom funcionamento do dispositivo, comprometendo assim o resultado esperado
do mesmo, (MEHL, EDWALDO 2005, p.1):
Á medida que os benefícios da energia elétrica passam a fazer parte do dia-a-dia
das pessoas é natural que se inicie um processo de discussão quanto à qualidade
daquele produto. Numa análise inicial preocupa-se com a continuidade do serviço,
já que fica evidente que qualquer interrupção do fornecimento implicará em
transtornos de toda ordem.
Para minimizar os efeitos negativos que uma baixa qualidade da energia elétrica
possa trazer aos dispositivos eletrônicos, um segmento de pesquisa denominado “Eletrônica
de Potência” busca extrair a máxima eficiência no processo de conversão de energia. Esse
processo faz uso de dispositivos semicondutores operando em regime de chaveamento para
realizar a conversão de forma de onda de tensões e correntes entre fontes e cargas e o controle
de fluxo de energia. Desta forma, segundo (CANESIN, 2009, p.1):
13
Como em todos os setores que envolvem as aplicações de energia elétrica, há na
eletrônica de potência (ciência que estuda as diferentes técnicas de processamento
eletrônico da energia elétrica) o interesse de acompanhar a evolução dos conceitos
de qualidade de energia, quais sejam: elevada eficiência (rendimento), reduzido
volume (compactação), reduzida interferência eletromagnética (ruídos
eletromagnéticos), elevado fator de potência (relação de utilização: Potência ativa
(Watts) /Potência aparente (Volt-Ampère), baixa distorção harmônica (formas de
ondas de corrente mais próximas da tensão de alimentação senoidal) e reduzido
custo. Estes conceitos estão também intimamente vinculados á evolução dos
equipamentos que se utilizam de fontes de alimentação, as denominadas fontes
chaveadas (presentes em diversos equipamentos industriais, comerciais e
residenciais, incluindo-se ai os microcomputadores), e, aos reatores eletrônicos
para iluminação fluorescente, dispositivos estes ligados diretamente á rede de
corrente alternada.
Desta forma pode-se constatar que a fonte de alimentação constitui um dos
principais componentes de qualquer equipamento, sem a qual sua operação estaria
comprometida, quer em relação à função ou a qualidade. Todo aparelho eletrônico dispõe de
uma fonte de alimentação, que é responsável pela retificação ou conversão do sinal alternado
em contínuo.
Ciente da importância deste dispositivo, este trabalho se propõe a apresentar os
principais parâmetros que devem ser analisados em uma fonte chaveada, buscando identificar
se a fonte avaliada atende as necessidades impostas pela carga que esta sendo alimentada e se
atende aos critérios de qualidade determinados para uma fonte chaveada.
1.2
PROBLEMA
Atualmente é possível encontrar uma imensa gama de fabricantes para fontes
chaveadas, que do mesmo modo como em qualquer produto, variam em questões qualitativas.
Nesse sentido apenas informações básicas como tensão de saída e corrente, são fornecidas
pelos fabricantes. No entanto, com esta escassez de informações e a simples observação dos
componentes da placa, fica inviável determinar com precisão a qualidade de uma fonte. Com
a finalidade de verificar esta questão, é necessário que se pondere o sinal de entrada e saída do
dispositivo, a fim de determinar alguns parâmetros de seu funcionamento.
Dentre esses parâmetros, podemos destacar alguns, que devem ser avaliados
cuidadosamente:
14
1) Regulação de carga: um parâmetro importante na avaliação de uma fonte
chaveada diz respeito a sua regulação de carga, ou seja, o nível de tensão de
saída fornecida pela fonte com uma carga acoplada ou sem carga. Este
parâmetro geralmente é fornecido como um percentual de variação máxima e
mínima da tensão de saída. A avaliação desse parâmetro é de extrema
importância, pois esta variação pode ocasionar problemas ao equipamento,
que em muitos casos pode ficar inoperante pelo excesso ou pela falta da
tensão necessária para seu funcionamento.
2) Regulação linha: consiste em apresentar o percentual de variação na tensão de
saída, decorrente da variação da tensão de entrada.
3) Ripple: após o processo de retificação do sinal é necessária à inserção de um
filtro capacitivo, o qual realizará a filtragem do mesmo minimizando os
efeitos ondulatórios presentes no sinal. Este efeito ondulatório observado no
sinal de saída de um retificador é conhecido como ripple. O nível de ripple
encontrado em algumas fontes pode prejudicar o funcionamento do circuito
que a mesma alimenta, dependendo da sensibilidade do mesmo a ondulação
presente no sinal.
4) Eficiência: é a relação da potência de entrada da fonte pela potência de saída.
Este parâmetro verifica quanto de energia presente na entrada do dispositivo é
entregue a carga, pois se sabe que uma parcela desta é consumida pela própria
fonte.
5) Tempo de sustentação da tensão saída (Hold-up): através desse parâmetro é
possível mensurar a tensão de saída e seu tempo de sustentação, após a perda
da tensão de entrada. O objetivo é verificar se o hold-up obtido é suficiente
para manter a carga em operação, até que seja atendida por uma fonte
alternativa.
6) Temperatura: buscando atender padrões de segurança, grande parte das fontes
vem selada, com um case de proteção totalmente vedado buscando evitar
qualquer tipo de contato do consumidor com o circuito da fonte, como
também evitando um possível risco de incêndio. Devido a este invólucro o
processo de dissipação de calor da fonte com o meio em que permanece
alocada é prejudicado, desta forma o período de vida útil dos componentes é
reduzido consideravelmente e dependendo da temperatura alcançada à fonte
chaveada pode ser danificada. É importante destacar também que a
15
característica regular de funcionamento dos componentes é alterada. Concluise então que a temperatura é um dos principais parâmetros a serem avaliados,
pois pode ocasionar alterações em todos os parâmetros proposto no presente
trabalho.
7) Emissão de Rádio-Interferência: basicamente todos os circuitos eletrônicos
produzem algum tipo de interferência eletromagnética, e a fonte chaveada
quando não blindada ou filtrada corretamente, torna-se um dos principais
geradores deste tipo de ruído, decorrente da alta frequência de chaveamento
do interruptor eletrônico, responsável por elevar ou reduzir o nível de tensão
na saída. Esta onda eletromagnética irradiada pode ocasionar problemas no
funcionamento de qualquer dispositivo que seja suscetível a faixa de
frequência gerada.
8) Interferência á rede elétrica: a fonte chaveada transmite a rede elétrica,
harmônicas ou transientes (ruídos) de forma a afetar o funcionamento de
outros equipamentos conectados a mesma rede.
Com base nas características citadas, propõe-se o estudo dos principais
parâmetros que devem ser avaliados em uma fonte chaveada. Neste sentido, busca-se
ponderar se os dados obtidos através dos estudos realizados permanecem dentro dos
parâmetros especificados pelo fabricante, como também o quão estável e livre de transientes é
o sinal contínuo de saída.
1.3
JUSTIFICATIVA
A gama de informações que podem ser encontradas na internet ou através de
livros referentes aos parâmetros de funcionamento de uma fonte chaveada é extensa. No
entanto, isso demanda um oneroso tempo para obtenção desses dados e que em muitos casos
não aponta de forma assertiva todos os parâmetros importantes que devem ser avaliados em
uma fonte chaveada. Assim a proposta oferecida consiste em disponibilizar aos estudantes e
atuantes na área de eletrônica um material conciso, que permita ao leitor avaliar uma fonte
chaveada de forma simples e eficiente.
16
1.4
OBJETIVOS
Apresentar e discutir os principais parâmetros que devem ser ponderados e
testados em uma fonte chaveada, visando proporcionar ao leitor, de maneira sucinta, as
informações necessárias para a realização de uma avaliação funcional do produto de forma
eficaz e assertiva.
1.4.1
Geral
Como objetivo geral proposto neste trabalho, visa-se o estudo para o
desenvolvimento de um padrão para avaliação dos principais critérios relacionados a fontes
chaveadas. Considerando-se algumas características que serão discutidas posteriormente neste
trabalho, procura-se ponderar os parâmetros de forma a determinar a qualidade e eficiência de
fontes chaveadas.
1.4.2
Específicos
Os objetivos específicos propostos neste trabalho são:
x
Apresentar os principais parâmetros de fontes chaveadas que permitem uma
precisa e eficaz avaliação referente à sua qualidade;
x
Discutir testes que podem ser aplicados para validação dos parâmetros;
x
Demonstrar o processo para a avaliação em bancada de alguns dos parâmetros
apresentados.
17
1.5
DELIMITAÇÃO
A proposta deste trabalho fica restrita a apresentação dos parâmetros julgados
como fundamentais para a correta avaliação de uma fonte chaveada, bem como realização de
testes para validação de algumas das características citadas.
1.6
PROPOSTA DA SOLUÇÃO
A qualidade de uma fonte chaveada é parametrizada através da análise de sua
tensão de entrada e saída, desta forma a solução proposta vai disponibilizar a fundamentação
teórica para a compreensão dos parâmetros determinados como necessários para a correta
avaliação funcional de uma fonte chaveada. Do mesmo modo serão apresentados
procedimentos para validação em bancada de algumas das características citadas, como
também direcionar sobre os meios existentes para a realização dos testes que não podem ser
validados desta forma. Seguem abaixo todos os parâmetros propostos neste trabalho:
x
Regulação de carga;
x
Regulação de linha;
x
Ripple;
x
Eficiência;
x
Hold-up;
x
Temperatura;
x
Emissão de Rádio-Interferência;
x
Interferência á rede elétrica.
Depois de transcorridas as etapas descritas acima, serão alcançados os objetivos
desejados, que consistem em propor um padrão para avaliação e validação dos parâmetros de
fontes chaveadas. Através dos parâmetros demonstrados será possível avaliar a qualidade de
uma fonte chaveada e a estabilidade de sua tensão de saída.
18
1.7
METODOLOGIA DA PESQUISA
Este trabalho consiste de uma pesquisa bibliográfica, pois busca conhecimentos
em livros, artigos ou fontes fidedignas, buscando obter o conteúdo necessário para a criação
de uma ótima solução.
Estudo teórico dos parâmetros transcritos, de modo a possibilitar testes de
validação da solução proposta.
1.8
ESTRUTURA DA MONOGRAFIA
Para que se tenha uma visão clara e objetiva deste trabalho, o conteúdo do mesmo
foi organizado da seguinte forma:
• Capítulo 1: Apresenta as definições do projeto, tais como: tema, problema, justificativa,
delimitações, objetivo geral, objetivos específicos, proposta da solução e, metodologia
do trabalho;
• Capítulo 2: Apresenta a fundamentação teórica, os conceitos, bem como as informações
que sustentam o estudo proposto;
• Capítulo 3: Descreve os métodos utilizados para validar os parâmetros propostos;
• Capítulo 4: Apresenta os resultados esperados ao término das validações;
• Capítulo 5: Apresentada uma visão geral do presente trabalho, os problemas
enfrentados durante o desenvolvimento do mesmo, bem como críticas e sugestões para
melhorias que possam ser aplicadas em trabalhos futuros.
19
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo serão apresentados os fundamentos teóricos em que se baseia este
trabalho. Para tal, inicialmente, será transcrito um breve relato histórico referente à evolução
das fontes de alimentação. Posteriormente, serão abordadas às necessidades de uso de uma
fonte chaveada, demonstrando as características desejadas e quais avaliações devem ser
realizadas no sinal de saída de uma fonte chaveada, buscando classifica-la como uma fonte de
boa qualidade.
2.1
FONTES CHAVEADAS
Circuitos eletrônicos necessitam de uma fonte que lhes forneça uma tensão
contínua, com determinado grau de estabilização. Geralmente a energia utilizada é
proveniente da rede elétrica local, que está em corrente alternada. Desse modo faz-se
necessário a utilização de um dispositivo que converta essa corrente alternada fornecida pela
rede em corrente contínua exigida para o funcionamento do equipamento. Alguns circuitos
retificadores foram desenvolvidos para essa função, denominados fontes de alimentação e
com o passar dos anos e com a evolução da eletrônica sofreram aprimoramentos.
Dentre estes dispositivos podemos citar as fontes chaveadas, que se definem por
uma unidade de fonte de alimentação eletrônica com regulador chaveado incorporado, que
comuta a corrente fazendo com que esta ligue e desligue rapidamente, de forma a manter uma
tensão de saída estabilizada (WIKIPÈDIA, 2013).
Segundo Barbi (2007, p. 1),:
As Fontes chaveadas começaram a ser desenvolvidas na década de 60, para serem
empregadas nos programas espaciais. O objetivo era substituir as fontes reguladas
convencionais, do tipo lineares, que são volumosas, pesadas e dissipativas, por
fontes compactas e de alto rendimento.
Assim, as fontes chaveadas começaram a serem empregadas em diversos
equipamentos eletrônicos,
como computadores, eletrodomésticos, equipamentos de
20
telecomunicações, aviões, entre outros. Essa nova tecnologia veio em substituição às fontes
lineares, já que em relação a esta apresenta algumas vantagens:
x
Eficiência: podem apresentar um rendimento superior a 90%, quando
comparado a fontes lineares que por vezes não alcançam 70% de rendimento
(VENTORINI, 2007, p. 20);
x
Menor volume: deve-se ao fato de não serem necessários dissipadores tão
volumosos e elementos de filtragem quanto os que seriam necessários numa
fonte linear;
x
Aquecimento: a fonte linear é sempre composta de um condutor encarregado
de dissipar ou jogar energia fora na forma de calor, enquanto na fonte chaveada
também é dissipado calor, mas esse calor gerado é devido a perdas nos
semicondutores e indutores e muito menor quando comparado a uma fonte
linear de mesma potência.
As fontes lineares, apesar de terem sido muito utilizadas, constituem atualmente
uma alternativa pouco viável no que se refere a equipamentos mais sofisticados, que exijam
maior portabilidade e melhor design. São equipamentos robustos, pesados e com baixa
eficiência, além de instituir uma tecnologia ultrapassada. Na Figura 1, que segue, podemos
comparar visualmente os dois equipamentos.
Figura 1 - Comparação entre fonte linear e fonte chaveada.
Fonte: PETRY, 2013, p. 11.
21
Ainda assim podemos destacar algumas desvantagens das fontes chaveadas
(BARBI, 2007, p.1), que na maioria dos casos podem ser minimizadas ou contornadas, como:
x
Resposta transitória mais lenta;
x
Apresenta ondulação na tensão de saída;
x
Produz interferência radioelétrica e eletromagnética;
x
Necessita de um maior número de componentes, além de mais
sofisticação.
2.2
CARACTERIZAÇÃO DO DESEMPENHO DE FONTES CHAVEADAS
Segundo Malvino (1997, p. 423) a qualidade de uma fonte de alimentação
depende da sua tensão de carga, da corrente de carga, da regulação de tensão e de outros
fatores. Estes fatores combinados traduzem o funcionamento do equipamento e dependendo
de suas alterações podem rotular a fonte como sendo de boa ou má qualidade.
Desta forma serão abordados aqui alguns parâmetros utilizados para a
caracterização do desempenho das fontes chaveadas. Desse modo algumas propriedades do
equipamento estão relacionadas ao seu enquadramento em um conjunto de normas
internacionais que determinam um padrão de comportamento a ser seguido, que
consequentemente refletem na qualidade de seu funcionamento e, por sua vez, também serão
discutidas no decorrer do trabalho.
2.3
REQUISITOS DE QUALIDADE NA ALIMENTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS
SENSÍVEIS
Sobre os requisitos de qualidade de uma fonte, alguns equipamentos são mais
exigentes em relação à qualidade do suprimento de energia fornecida, especialmente
aparelhos de computação. Ainda assim, não se tem conhecimento de padrões industriais
22
utilizados nesse tipo de avaliação. A CBEMA (Computer Business Equipament
Manufacturer’s Association), devido à ação de usuários de grande porte, adotou curvas
mostradas da Figura 2, que surgem na norma IEEE 446 denotadas como “prática
recomendada para sistemas de alimentação de emergência, em aplicações industriais e
comerciais” (POMÍLIO, [2009?] p. 12-1).
As curvas da referida figura (Figura 2) definem um intervalo limitado dentro do
qual deve permanecer o valor eficaz da tensão que abastece o equipamento. Desse modo,
quando os limites estabelecidos pelas curvas forem superados, o sistema de alimentação
ininterrupta deve atuar, buscando manter a tensão de saída dentro dos valores aceitáveis.
Assim, respeitando os limites estabelecidos dificilmente o equipamento
alimentado terá problemas de funcionamento. Portanto, violações dos limites determinados
podem provocar falhas em seu funcionamento que devem ser evitadas.
Na maioria dos casos quando há ocorrência de falhas de alimentação as
capacitâncias internas de fonte de alimentação, foram dimensionadas de forma a suportar
estas violações de curta duração.
É possível observar na Figura 2 que a tensão da fonte de alimentação deve estar
limitada a uma subtensão de 13% e a uma sobretensão de 6%. Desta forma, quanto menor a
perturbação, maior a alteração admitida, uma vez que os elementos internos ao equipamento
que armazenam energia devem ser capazes de absorvê-la. Exemplificando, podemos afirmar
que a tensão pode ir a zero por meio ciclo ou haver um pico de tensão com três vezes o valor
nominal, desde que estes apresente uma duração inferior a 100 μs.
23
Figura 2 - Envelope de tolerância de tensão típica para sistema de tecnologia da informação
(Curva CBMA - superior e Curva ITIC - inferior).
Fonte: POMÍLIO, [2009?], p. 12-2.
24
2.3.1
Regulação de carga
O termo regulação para uma fonte chaveada descreve a queda de tensão média
com carga em relação à condição sem carga.
Segundo Bogart (2001, p. 282) “uma fonte de alimentação ideal mantém uma
tensão constante nos terminais de saída, independente do valor da corrente fornecida por ela”.
Na prática a tensão de saída de uma fonte de alimentação varia conforme a corrente de carga,
portanto, com o aumento da corrente a mesma tende a cair. A regulação de tensão ou de
carga, abreviada por LR (denominada também de efeito de carga), é um percentual obtido
através da variação da tensão de saída de uma fonte de alimentação, decorrente do valor
mínimo e máximo da corrente de carga.
Segundo Borgat (2001, p. 282) (1):
ൌ
୚ొై ି୚ూై
୚ూై
ൈ ͳͲͲΨ
(1)
ൌ Porcentagem de regulação de tensão regulação de tensão (voltage regulation);
୒୐ ൌ Tensão da carga sem corrente de carga (no-load voltage);
୊୐ ൌ Tensão da carga com corrente de carga máxima (full-load current).
Porém, segundo Malvino (1997, p.424), devido ao denominador da fração estar
muito próxima da tensão sem carga, muitos engenheiros e técnicos passaram a utilizar a
seguinte aproximação para equação (2):
ൌ
୚ొై ି୚ూై
୚ొై
ൈ ͳͲͲΨ
(2)
25
2.3.2
Regulação de linha
Este parâmetro afere a variação na tensão de saída em resposta a uma mudança
na tensão de entrada. A avaliação é realizada com a fonte operando à carga nominal, ou seja,
com todas as saídas fornecendo a corrente nominal. A medição da tensão de saída (0,1% de
precisão mínima) é efetuada em três situações de tensão de entrada: mínima, nominal e
máxima. A regulação de linha em porcentagem é demonstrada através da equação (3), onde
‘୫ୟ୶ e ‘୫୧୬ são medidas da máxima e mínima tensão de entrada:
‡‰—Žƒ­ ‘†‡Ž‹Šƒ ൌ
2.3.3
୚୭ౣ౗౮ ି୚୭ౣ౟౤
୚୭౟ౚ౛౗ౢ
ൈ ͳͲͲ(3)
Fator de Ripple
De acordo com Bogart (2001. p. 267), consiste em uma pequena ondulação
causada pela carga e descarga de um capacitor. O fator de “ripple” é uma taxa que demonstra
o quanto oscila uma tensão de saída determinada como contínua. Esta taxa pode ser expressa
pela equação :
ߛ ൌ
ܸ݈ܽ‫݈ܽݑ݀݊݋ܽ݀ݖ݂ܽܿ݅݁ݎ݋‬çã‫݋‬
ൈ ͳͲͲΨ
ܸ݈ܽ‫݉ݎ݋‬é݀݅‫݋‬
Como exemplo, analisaremos a forma de onda de tensão na carga de um
retificador de onda completa (Figura 3):
26
Figura 3 - Tensão de carga de um retificador monofásico de onda completa.
Fonte: Autoria própria.
A equação matemática (4) que descreve a forma de onda acima é a seguinte:
ܸ ൌ ܸ௠ௗ ൅ σ ݄ܽ‫ݏܽܿ݅݊݋݉ݎ‬
(4)
Para uma forma de onda puramente contínua, a quantidade de harmônicas será
igual a zero. Para o caso do retificador de onda completa, se a tensão da Figura 3 for aplicada
a um resistor, podemos constatar que a potência eficaz devido a tensão contínua pulsada
aplicada (ܲ௘௙ ) é igual a soma da potência devido ao valor médio da tensão de carga (ܲ௖௖ ) e da
potência devido á ondulação alternada (ܲ௖௔ ) (5).
ܲ௘௙ ൌ ܲ௖௖ ൅ ܲ௖௔
(5)
Substituindo os valores da equação acima (6):
௏೐೑ మ
ோ
ൌ
௏೘೏ మ
ோ
൅
௏ಲ಴ మ
ோ
(6)
Simplificando a expressão (7):
ܸ௘௙ ଶ ൌ ܸ௠ௗ ଶ ൅ ܸ௔௖ ଶ
(7)
Para que seja possível realizar o cálculo do fator de ripple, é necessário dispor do
valor eficaz da ondulação de tensão e valor médio. O valor de ripple pode ser obtido pela
expressão (8):
ܸ஺஼ ൌ ටܸ௘௙ ଶ െ ܸ௠ௗ ଶ (8)
27
Reescrevendo a expressão (9):
ܸ஺஼ ൌ 2.3.4
ට௏೐೑ మ ି௏೘೏ మ
௏೘೏
ǤͳͲͲΨ
(9)
Eficiência
O grande inconveniente de uma fonte de alimentação linear é a sua baixa
eficiência, pois a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de carga incide sobre elemento
regulador, geralmente um transistor. Desta forma, a corrente de carga é a mesma que
atravessa o regulador, apresentando uma dissipação de calor sobre o transistor, tornando
inviável a utilização desta técnica para potências acima de algumas dezenas Watts. No
entanto, as fontes chaveadas apresentam alta eficiência, pois seu regulador (transistor)
trabalha como chave e na região não linear. Assim, a frequência de chaveamento é elevada e
são proporcionalmente reduzidos os elementos do filtro de saída, possibilitando a obtenção de
elevadas densidades de potência.
O parâmetro de eficiência de uma fonte de alimentação visa mensurar o quanto da
potencia de entrada foi entregue a carga, pois se sabe que uma parcela é consumida pela
própria fonte. Expressa sucintamente a relação percentual entre a potência de saída e a
potência de entrada. O percentual de eficiência pode ser expresso pela equação:
Ψϐ‹…‹ê…‹ƒ ൌ
୔౥౫౪
୔౟౤
ൈ ͳͲͲ
ܲ௜௡ ൌ ܲ‫ݐ݋‬²݊ܿ݅ܽ݀݁݁݊‫ܽ݀ܽݎݐ‬
ܲ௢௨௧ ൌ ܲ‫ݐ݋‬²݊ܿ݅ܽ݀݁‫ܽݏ‬À݀ܽ
(10)
28
2.3.5
Tempo de sustentação da tensão de saída (hold-up)
Constitui uma avaliação que determina o intervalo de tempo no qual a saída é
capaz de manter a corrente nominal quando há uma suspensão temporária na alimentação. O
objetivo é verificar se o tempo e tensão mensurados são suficientes para manter o
equipamento em operação até que uma fonte alternativa de alimentação (bateria) seja
acionada. Esta interrupção na alimentação do equipamento pode ter diversas origens, dentre
elas em manobras de equipamentos alimentados pela mesma rede, que vão ocasionar queda na
tensão CA (ou CC) com duração maior que 1/2 ciclo (8,33 ms). (POMÍLIO, [2009?] p. 12-1).
De acordo com o desempenho desejado serão mensurados os capacitores que
serão utilizados na entrada e saída do equipamento, almejando elevar a quantidade de energia
a ser armazenada, desta forma podendo-se utilizar capacitores com valores muito maiores do
que os necessários para a operação em regime, ou seja, apenas para reduzir a ondulação de
tensão advinda do chaveamento. A imagem que segue (Figura 4) indica o tempo de
sustentação, ou seja, o tempo em que a energia armazenada pelo capacitor ainda é suficiente
para alimentar a carga acoplada à fonte, o tempo em que a tensão fornecida ainda esta acima
da subtensão especificada para que o produto funcione de maneira estável.
Figura 4 - Teste para verificação do tempo de tensão de saída.
Fonte: POMÍLIO, [2009?], p. 12-3.
29
2.3.6
Temperatura
A temperatura é um importante parâmetro de qualidade a ser analisado em uma
fonte chaveada, pois, calor é energia e a dissipação de energia além de gerar gastos
desnecessários na conta de energia pode causar um funcionamento inadequado e danos aos
equipamentos. Conforme (ZHANG, [1997?], p.405) 54% das falhas em equipamentos
eletrônicos são causados pelo excesso de temperatura dos componentes críticos, como
semicondutores e transformadores (Figura 5).
Figura 5 - Causas de mau funcionamento em equipamentos
eletrônicos.
Fonte: ZHANG, [1997?] p.405
A evolução da tecnologia propiciou o desenvolvimento de equipamentos portáteis,
com volumes reduzidos, desta forma zelando pela segurança dos consumidores as fontes de
alimentação são confinadas em compartimentos ou invólucros de proteção totalmente selados.
Desta forma, este tipo de confinamento prejudica a troca de energia térmica com meio onde a
fonte de alimentação é alojada e a eliminação do calor interno é comprometida. Assim, a
modelagem térmica passou a ser um dos principais requisitos a serem analisados no processo
de concepção de uma fonte de alimentação.
Zhang ([1997?], p.405) demonstra o comprometimento do processo de dissipação
de calor de uma fonte de alimentação quando alocada em um gabinete fechado. Através de
um scanner térmico são obtidas informações da temperatura de superfície de uma fonte de
alimentação submetida a uma temperatura ambiente de 40ºC. É possível verificar que a
30
temperatura mais elevada está sobre a superfície do transformador que é 94ºC (Figura 6). Na
Figura 7 verifica-se que a temperatura de superfície sob a área do transformador foi reduzida
para 79ºC devido à implementação de um dissipador térmico, comprovando o quanto é eficaz
e necessária a analise térmica na concepção de uma fonte de alimentação.
Figura 6 - Temperatura de superfície sem dissipador.
Fonte: ZHANG, [1997?], p.410.
Figura 7 - Temperatura de superfície com dissipador.
Fonte: ZHANG, [1997?], p.410.
Portanto, torna-se de extrema importância a avaliação deste parâmetro, de forma a
submeter à fonte de alimentação a testes de variação de temperatura, buscando avaliar o
comportamento do sinal de saída.
31
2.3.7
Interferência Eletromagnética (IEM)
Conhecida internacionalmente pela sigla EMI (Electromagnetic Interference) é
definida como uma perturbação eletromagnética capaz prejudicar o desempenho de um
equipamento, sendo possível propagar-se tanto por meios físicos quanto no vácuo
(BELTRAME, 2010, p.2).
Todo circuito eletrônico é um gerador de EMI, pois produz algum tipo de campo
magnético ao seu redor e sua transferência de energia pode ocorrer por radiação, condução ou
por acoplamentos capacitivos e indutivos. Três elementos devem estar presentes para que
ocorra uma situação de interferência eletromagnética, dentre eles (BELTRAME, 2010, p.2):
x
Fonte: provedora de energia eletromagnética;
x
Caminho de transmissão: percurso o qual as perturbações são transmitidas;
x
Receptor: dispositivo que sofre com as perturbações;
Abaixo segue ilustração (Figura 8) demonstrando a interação entre os elementos
citados acima:
Figura 8 - Interferência Eletromagnética.
Fonte: BELTRAME, 2010, p. 3.
Portanto, para que haja compatibilidade eletromagnética entre os elementos
coexistentes, torna-se necessário que ocorra a interrupção do percurso de acoplamento e
redução dos níveis de perturbação emitidos pela fonte ou proteção do receptor, buscando
32
torná-lo imune as interferências eletromagnéticas irradiadas ou conduzidas. Em casos
específicos, será necessária a aplicação de técnicas de supressão a algum dos componentes do
percurso de perturbação.
A preocupação com os prazos de entrega e com a redução dos custos empregados,
esta cada vez mais presente na realidade dos profissionais que atuam na área desenvolvimento
de produtos, busca-se construir produtos que operem confiavelmente e que não interfiram em
outros equipamentos. No entanto, devido a perturbações elétricas e problema de EMI não
previstos, os resultados são prejudicados.
Um dos fatos que alavancaram a preocupação com este tipo de perturbação foi
determinado pela utilização de microprocessadores em dispositivos antiderrapantes utilizados
em freios de ônibus escolares. A falta de planejamento e de compatibilidade magnética neste
dispositivo propiciou a interferência eletromagnética de um rádio da polícia presente nas
proximidades. Esta perturbação no microprocessador fez com que o dispositivo se soltasse
instantaneamente, deixando os freios inoperantes. Deste modo, um dispositivo supostamente
de proteção, comprometeu a segurança, trazendo riscos à vida de todos os usuários
(BELTRAME, 2010, p.4).
Com o crescimento da fabricação de conversores comutados, tornou-se mais
evidente a preocupação com a EMI. Por serem compostas de interruptores (semicondutores)
que trocam de estado rapidamente, ou seja, produzem altas variações de tensão (dv/dt) e
corrente (di/dt), são gerados altos níveis de ruídos eletromagnéticos.
2.3.7.1 Interferência Eletromagnética Irradiada
Os componentes de alta frequência presentes nas tensões e correntes da fonte
originam irradiações de ruídos. Esses componentes associados a elementos parasitas
acoplados (indutâncias e capacitâncias) produzem fenômenos de ressonância que
potencializam os efeitos. Para os terminais os quais se tem tensão e nos condutores os quais
circulam as correntes, quando submetidos a frequências elevadas, atuam como antenas,
irradiando para o ambiente (POMÍLIO, [2009?] p. 12-8).
Visando minimizar tais problemas, é possível precaver-se realizando algumas
ações de maneira a evitar o agravamento, dentre elas:
33
x
Durante planejamento do layout busca-se identificar quais caminhos
possuem correntes elevadas, buscando aproximação física entre os
componentes de potência, almejando ter a menor distância possível entre
eles.
x
Advindos dos chaveamentos elevados dv/dt e di/dt por meio de
supressores ou amaciadores devem ser minimizados.
As fontes normalmente são alocadas dentro de caixas metálicas, de maneira a
confinar os campos magnéticos produzidos (teoria da esfera Gaussiana). Esta blindagem
envolve todo o circuito que produz a interferência, formando um “curto-circuito” em torno do
mesmo.
2.3.7.2 Interferência Eletromagnética Conduzida pela Rede
O principal objetivo em se estabelecer limitações de IEM (Interferência
Eletromagnética) propagadas na rede é evitar que essa interferência gere alterações
significativas, afetando o funcionamento de outros aparelhos que por ventura estejam
conectados a mesma rede elétrica. Como principais responsáveis pela ocorrência de IEM
conduzida pela rede podemos apontar as altas taxas de alterações de tensão de uma fonte
chaveada e as correntes pulsadas nos estágios de entrada. Em relação às correntes pulsadas
presentes na entrada do conversor, podemos afirmar que está sendo chaveada em alta
frequência, permanecendo assim com suas harmônicas dentro da faixa de verificação de IEM
conduzida.
A utilização dos filtros de linhas constitui uma das maneiras para a redução dos
níveis de IEM conduzida. Seu objetivo é instituir um caminho de baixa impedância, fazendo
com que os componentes de corrente em alta frequência circulem por tais caminhos, evitando
a linha. Nesse sentido podemos considerar dois tipos de correntes:
x
Correntes simétricas: também chamadas de modo diferencial. Sua
existência na linha de alimentação se deve ao próprio chaveamento da
fonte (figura 9). Um filtro de segunda ordem pode gerar a redução da
34
circulação pela linha, com a capacitância oferecendo um caminho de baixa
impedância para a componente de corrente em questão. Desse modo os
indutores geram uma oposição à fuga da corrente para a rede. Levando-se
em conta 60Hz a queda sobre tais indutâncias deve ser mínima.
x
Correntes assimétricas: conhecidas como de modo comum. Sua principal
origem provém do acoplamento capacitivo do transistor com o terra e por
esse motivo a redução também é realizada com um filtro de segunda
ordem. Porém, o elemento indutivo precisa ser do tipo acoplado e possuir
uma polaridade apropriada de enrolamentos, representando assim uma
impedância elevada para correntes assimétricas, sem implicar em nenhuma
impedância para a corrente simétrica. Os capacitores provêm o caminho
alternativo para a passagem de tal componente de corrente.
Figura 9 - Circuito típico com filtro de linha.
Fonte: POMÍLIO, [2009?], p. 12-10.
35
3
3.1
PROCEDIMENTOS PARA VALIDAÇÃO DOS PARÂMETROS CITADOS
REGULAÇÃO DE CARGA
Este parâmetro visa determinar o percentual de variação da tensão de saída da fonte,
obtido pela variação da corrente drenada pela carga (Figuras 10 e 11). A subtensão na
aplicação real, quando abaixo do especificado pode ocasionar a falha de funcionamento na
carga acoplada. O teste consiste basicamente em realizar leituras da tensão de saída com carga
máxima e sem carga (circuito em aberto). Com as tensões mensuradas é possível determinar a
regulação de tensão através da fórmula (1) citada anteriormente.
Figura 10 – Leitura da tensão de saída da fonte (carga nominal).
Fonte: Adaptado pelo autor.
Figura 11 – Leitura da tensão de saída da fonte (sem carga).
Fonte: Adaptado pelo autor.
Seguem abaixo as etapas para realização do teste:
x
Montagem do cenário de testes conforme disposição dos itens descritos na
Figura 10 e 11;
36
x
Utilizar à função de voltímetro de um multímetro conectado em paralelo a
carga conectada a saída da fonte;
x
Anotar a tensão de saída da fonte, quando submetida à carga nominal
(Figura 10) e sem carga (Figura 11);
x
Após mensuradas as tensões de saída com carga e sem carga, o resultados
obtidos devem ser aplicado as equação (1) citada anteriormente.
Equipamentos utilizados:
3.2
x
Fonte chaveada: sob teste;
x
Carga nominal;
x
Multímetro: o equipamento é utilizado para mensurar a tensão de saída da fonte.
REGULAÇÃO DE LINHA
A avaliação do parâmetro consiste em variar a tensão de entrada para os valores
máximo e mínimo determinado pelo fabricante, em ambas as variações de entrada devem ser
determinas a tensões de saída da fonte sobre carga máxima (Figura 12). Com os valores
obtidos será possível determinar o porcentual de regulação de linha, utilizando a equação (3)
apresentada anteriormente.
Figura 12 - Teste de regulação de linha.
Fonte: POMÍLIO, [2009?], p. 12-3.
Seguem abaixo as etapas para realização do teste:
37
x
Montagem do cenário de testes conforme disposição dos itens descritos na
Figura 12;
x
Acoplamento da fonte sob teste em uma carga nominal, ou seja, de forma
a drenar a corrente nominal especificada pela fonte;
x
Utilizar à função de voltímetro de um multímetro conectado em paralelo a
carga conectada a saída da fonte, de forma a mensurar as tensões obtidas
após o ajuste das tensões de entrada.
x
Ajuste da tensão de entrada da fonte deve ser para o valor máximo,
mínimo e nominal especificado pelo fabricante. A cada ajuste da tensão de
entrada, deve ser anotada a tensão de saída, de forma a utilizar os
resultados obtidos para aplicação na fórmula (1) para obtenção do
percentual de regulação de linha.
Equipamentos Utilizados:
x
Fonte chaveada: sob teste;
x
Carga nominal;
x
AC Power source: equipamento que fornece uma tensão alternada de saída e que
permite o ajuste para tensão desejada, desta forma foi possível ajustar os valores
máximos e mínimos de entrada determinados pelo fabricante da fonte chaveada.
3.3
RIPPLE
Consiste no efeito oscilatório encontrado no sinal de saída de um retificador.
Com este parâmetro é possível determinar o quão continuo é o sinal de saída, a fim de
verificar se o nível encontrado não trará nenhum tipo mau funcionamento ao circuito que esta
sendo alimentado.
O objetivo do teste é mensurar o pico máximo e mínimo do sinal de saída
oscilatório, com estes dados é possível calcular o percentual oscilatório da fonte (ripple) sobre
a tensão média. Desta forma deve-se utilizar uma carga que consiga drenar a corrente máxima
38
da fonte, buscando obter o parâmetro de ripple da fonte sobre carga máxima. A tensão de
saída é mensurada mediante a três situações de entrada: mínima, nominal e máxima. Seguem
abaixo imagem com o setup de testes e descrição dos equipamentos a serem utilizados (Figura
13):
Figura 13 - Setup de teste para obtenção do ripple.
Fonte: Adaptação do autor.
Seguem abaixo as etapas para realização do teste:
x
Montagem do cenário de testes conforme disposição dos itens descritos na
Figura 13;
x
Acoplamento da fonte sobre teste a uma carga nominal, ou seja, de forma a
drenar a corrente nominal especificada pela fonte;
x
Conexão da ponteira do osciloscópio de maneira paralela à carga, visando
obter a forma de onda do sinal contínuo fornecido a carga.
x
Utilizando a função de cursor do osciloscópio, é possível inserir um cursor
sobre a tensão de pico máxima e outro cursor sobre a função de pico
mínima. Desta forma a tensão de ripple será obtida subtraindo a tensão do
pico máximo pela tensão de pico mínima.
x
Alguns modelos de osciloscópios digitais também possuem a função de
medidas, desta forma o osciloscópio pode obter e apresentar as tensões
citadas anteriormente de forma automática.
Equipamentos utilizados:
x
Fonte chaveada;
x
Carga nominal;
39
x
Osciloscópio: permite ao usuário visualizar a forma de onda do sinal de saída como
também realizar medidas sobre o sinal, desta forma o usuário consegue obter os
parâmetros solicitados nos testes.
3.4
EFICIÊNCIA
A obtenção deste parâmetro visa quantificar o quanto de energia foi perdido
durante o processo de retificação do sinal, buscando obter o quanto de energia foi realmente
entre a carga. Obtendo a potência do sinal de saída fornecido à carga, sobre a potência de
entrada da fonte chaveada, quantifica-se um fator, e desta forma mensura-se o percentual de
energia perdida durante o processo de retificação do sinal. Com as potencias de entrada e
saída mensuradas basta utilizar a fórmula (10), descrita no capítulo 2. Seguem abaixo imagens
(Figura 14) com o setup de testes e descrição dos equipamentos a serem utilizados:
Figura 14 - Setup de teste para obtenção de eficiência da fonte.
Fonte: Adaptação do autor.
Seguem abaixo as etapas para realização do teste:
x
Montagem do cenário de testes conforme disposição dos itens descritos na
Figura 14;
x
Acoplamento de uma carga nominal a tensão de saída, de modo a drenar a
máxima corrente fornecida pela fonte. Drenando a máxima corrente,
consequentemente teremos a maio potencia de saída.
40
x
Deve se conectar um multímetro na função de amperímetro na entrada em
série com a entrada da fonte de alimentação e outro multímetro na função
de voltímetro em paralelo a tensão de entrada. Desta forma, teremos os
valores de tensão e corrente de entrado, consequentemente teremos a
potência de entrada que é obtida através da equação ܲ ൌ ܸ ൈ ‫ܫ‬. As
mesmas orientações devem ser aplicadas a saída da fonte, buscando obter
a potência de saída.
x
Após mensuradas as potências de entrada e saída, os dados obtidos devem
ser aplicado à fórmula (10) citada anteriormente.
Equipamentos utilizados:
3.5
x
Fonte chaveada;
x
Multímetro;
x
Carga nominal;
TEMPO DE SUSTENTAÇÃO DE SAÍDA (HOLD-UP)
A fonte chaveada será submetida à carga máxima e posteriormente o circuito
de alimentação será aberto, de forma a verificar o tempo de sustentação da tensão de saída.
Este parâmetro é de extrema importância, pois possibilita verificar se a energia armazenada
pelo capacitor é suficiente para manter a tensão dentro da subtensão mínima e pelo tempo
especificado, necessário para estável funcionamento da carga.
Desta forma, é possível
determinar se a fonte utilizada é adequada para o nível de sensibilidade determinado pela
carga que esta sendo alimentada.
Abaixo seguem a etapas para realização do teste:
x
Montagem do cenário de testes conforme disposição dos itens descritos na
figura 15;
x
Acoplamento da fonte sob teste em uma carga nominal, ou seja, de forma a
drenar a corrente nominal especificada pela fonte;
41
x
Conexão da ponteira do osciloscópio de maneira paralela à carga, visando
obter a forma de onda do sinal contínuo fornecido a carga.
x
Configuração do osciloscópio: utilizando a função de trigger de borda de
descida é possível verificar o sinal de descida no momento em que a
alimentação de entrada é aberta. Dessa forma é possível verificar o sinal
de saída do capacitor descarregando e determinar o tempo de sustentação
da fonte chaveada.
x
Especificar ଴୫୧୬ como a tensão mínima necessária para que carga ou
produto conectado a fonte possa funcionar de maneira estável.
Na Figura 15, é demonstrado o setup de testes, como também, a característica
forma de onda no tempo de sustentação:
Figura 15 - Teste para verificação do tempo da tensão de saída.
Fonte: POMÍLIO, [2009?], p. 12-3.
Equipamentos utilizados:
x
Fonte chaveada: sob teste;
x
Carga nominal;
42
x
Osciloscópio: utilizando a função de trigger de borda de descida é possível verificar o
sinal de descida no momento em que a alimentação de entrada é aberta, desta forma é
possível verificar o sinal de saída do capacitor descarregando e desta forma determinar
tempo de sustentação da fonte chaveada.
3.6
3.6.1
INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA
Ensaios de emissão radiada
O ensaio de emissão radiada visa mensurar o quanto de radiação eletromagnética
é propagada de um equipamento eletrônico para o ar (faixa de 30 MHz a 1 GHz). Esta
emissão deve estar dentro dos limites estabelecidos por normas nacionais e/ou internacionais,
pois a emissão acima destes padrões pode causar interferência no funcionamento de outros
equipamentos (IBEC, SD, p.5).
Uma Câmara Semi-Anecóica (Figura 16) é utilizada para os ensaios de emissão
irradiada, visando proporcionar um lugar onde as ondas se propaguem sem a existência de
nenhum ruído ou perturbação eletromagnética externa (celular, TV ou ondas de rádio). Assim
almeja-se considerar apenas a radiação dos equipamentos em questão, sem qualquer tipo de
interferência (IBEC, SD, p.5).
Para a realização desse teste o equipamento a ser analisado manteve-se em sua
configuração típica, sendo de responsabilidade do fabricante fornecer os equipamentos
necessários para que desempenhe suas atividades reais de funcionamento (IBEC, SD, p.5).
Durante o teste, o equipamento avaliado é girado em torno do seu eixo, para
identificação da face que mais propaga radiação. A altura das antenas é variada de 1 a 4
metros, buscando verificar em qual ponto existe a maior emissão de ruído. As antenas devem
ser dispostas na posição vertical e horizontal (Figura 18) para que sejam mensuradas as
emissões de ruído (IBEC, SD, p.6).
O ruído captado pelas antenas é levado até o analisador de espectro, equipamento
que faz as tratativas matemáticas do ruído capturado (Figura 17), de forma a comparar se esta
acima ou abaixo dos limites estabelecidos pelas normas (IBEC, SD, p.6).
43
As normas sejam elas nacionais/internacionais, delimitam os espectros aceitáveis
de emissões, de acordo com o tipo de classe em que o equipamento é enquadrado (IBEC, SD,
p.6):
x
Classe A: equipamentos de uso industrial/comercial;
x
Classe B: equipamentos para uso residencial.
Figura 16 - Câmara Semi-Anecóica.
Fonte: IBEC, SD, p.6.
44
Figura 17 - Instrumentação de medida.
Fonte: IBEC, SD, p.6.
Figura 18 - Diagrama para o ensaio de emissão radiada.
Fonte: IBEC, SD, p. 6.
45
Figura 19 - Limites de IEM irradiada para equipamento ISM, grupo 1, classe B.
Fonte: POMÍLIO [2009?], p. 12-8.
3.6.2
IEM conduzida pela rede
O ensaio de emissão conduzida tem por objetivo aferir a quantidade de radiação
eletromagnética é conduzida de um equipamento eletrônico qualquer para a rede elétrica
através de seu cabo de alimentação. Existem normas nacionais e internacionais que fixam
parâmetros no qual essa emissão deve se enquadrar, não podendo exceder esses limites. A
extrapolação deste provocaria interferência no funcionamento de outros equipamentos, assim
como ocorre quando ligamos um liquidificador e há uma trepidação na imagem do televisor.
(IBEC, SD, p.7)
De acordo com Pomílio ([2009?], p.12-8), a aferição deste tipo de interferência é
realizada por meio de uma impedância (LISN - Line Impedance Stabilization Network)
colocada entre a rede e o equipamento que está sendo testado, como mostra a Figura 20.
Assim o sinal é enviado para o analisador de espectro, que por sua vez gera um gráfico e a
intensidade de ruído é comparada ao limite da norma em questão (Figura 21). Da mesma
maneira como na emissão radiada o equipamento deve ser ensaiado em sua configuração
típica, para que seu funcionamento interno e externo seja completo com todas suas funções. A
norma utilizada como base para este teste é a IEC/CISPR 11. (IBEC, SD, p.8).
46
Figura 20 - Impedância de linha normatizada (LISN)
Fonte: POLÌMIO, [2009?], p12-8.
Figura 21 - Área de ensaios de emissão conduzida.
Fonte: IBEC, SD, p. 7.
A indutância em série impede que os ruídos causados pelo aparelho fluam para a
rede, sendo assim direcionados para a resistência de 1kΩ. Sobre esta é realizada a avaliação
através de um analisador de espectro com impedância de entrada de 50Ω. Eventuais ruídos
que possam vir a aparecer na linha são desviados pelo capacitor de 1μF, não afetando a
aferição. A banda normatizada pela CISPR circula entre 150kHz e 30MHz, que é a faixa que
pode ser utilizada pela impedância de linha. A faixa situada entre 10kHz e 150kHz é definida
apenas pela VDE, estando em estudo por outras agências. Nesta faixa inferior, a LISN é
implementada com outros componentes (POLÌMIO, [2009?], p).
47
A aplicação e o local de instalação dos equipamentos também são alvo de
distinções. A Figura 22 traz estes limites para a norma CISPR 11 (equipamentos ISM). O
ambiente onde é realizada a avaliação é formado basicamente por um plano terra sobre o qual
é colocada a LISN. Acima deste plano, e isolado do mesmo, deposita-se o aparelho que vai
passar pelo teste (POLÌMIO, [2009?], p).
Figura 22 - Limites de IEM conduzida pela norma CISPR 11.
Fonte: POMÍLIO, [2009?], p.
48
4
RESULTADOS
Buscando aplicar e validar toda a fundamentação teórica e alguns dos procedimentos
de testes destacados nos capítulos anteriores, foram submetidas a testes dois modelos de
fontes chaveadas, com tensão de saída e corrente 12VDC/1A.
Os testes para obtenção dos parâmetros de IEM (radiada e conduzida pela rede) e
Temperatura não foram realizados, devido ao custo dos equipamentos necessários para
realização dos testes e por não termos um local preparado. A avaliação destes parâmetros
geralmente é realizada por um órgão certificador que possui todo know-how e estrutura
necessária para realização do teste.
4.1
REGULAÇÃO DE CARGA
Dentre os principais parâmetros já abordados, este o principal parâmetro
fornecido por todos os fabricantes de fontes chaveadas. Submetendo a fonte a carga máxima e
sem carga é possível obter o percentual de variação da tensão de saída, de acordo com as
fórmulas (11) e (12).
a) Amostra A
Tabela 1 - Resultados obtidos em regulação de carga (A).
Fonte: Autoria do autor.
ൌ
୚ొై ି୚ూై
୚ూై
ൈ ͳͲͲΨ ൌ ଵଶǡ଺ଶିଵଶǡସସ
b) Amostra B
ଵଶǡ଺ଶ
ൌ ͳǡͶ͵Ψ
(11)
49
Tabela 2 - Resultados obtidos em regulação de carga (B).
Fonte: Autoria do autor.
ൌ
୚ొై ି୚ూై
୚ూై
ൈ ͳͲͲΨ ൌ ଵଶǡଶଵିଵଵǡଽସ
ଵଶǡଶଵ
ൌ ʹǡͶ͸Ψ
(12)
a) Setup de teste
Figura 23 - Setup de teste.
Fonte: Autoria do autor.
Podemos constatar que ambas as amostras tiveram um desempenho satisfatório no
teste de regulação de carga, mesmo quando submetidas à carga máxima demonstraram uma
boa estabilidade da tensão de saída.
4.2
REGULAÇÃO DE LINHA
Através deste parâmetro é possível determinar o percentual de variação da tensão
de saída, decorrente de variações na tensão de entrada da fonte chaveada. Seguem abaixo
resultados obtidos utilizando a fórmula que segue (13) (14):
b) Amostra A
50
Figura 24 - Forma de onda da tensão de saída mensurada (A).
Fonte: Autoria do autor.
Tabela 3 - Resultados obtidos em regulação de linha (A).
Fonte: Autoria do autor.
‡‰—Žƒ­ ‘†‡Ž‹Šƒ ൌ
୚୭ౣ౗౮ ି୚୭ౣ౟౤
୚୭౟ౚ౛౗ౢ
ൈ ͳͲͲ ൌ ଵଶǡହିଵଶǤହ
ଵଶǡହ
ൌ ͲΨ
Podemos constatar que dentre as tensões de entrada aplicadas, não tivemos
nenhum tipo de variação na tensão de saída.
c) Amostra B
(13)
51
Figura 25 - Forma de onda da tensão de saída mensurada (B).
Fonte: Autoria do autor.
Tabela 4 - Resultados obtidos em regulação de linha (B).
Fonte: Autoria do autor.
‡‰—Žƒ­ ‘†‡Ž‹Šƒ ൌ
୚୭ౣ౗౮ ି୚୭ౣ౟౤
୚୭౟ౚ౛౗ౢ
ൈ ͳͲͲ ൌ ଵଶିଵଶ
ଵଶ
ൌ ͲΨ
(14)
Podemos constatar que dentre as tensões de entrada aplicadas, não tivemos
nenhum tipo de variação na tensão de saída.
52
4.3
RIPPLE
Consiste em avaliar o quão estável é a tensão de saída de uma fonte chaveada (15)
(16). A fonte foi submetida à carga máxima, buscando obter-se uma maior oscilação da tensão
de saída. Para a avaliação deste parâmetro foi utilizado o osciloscópio de modelo TDS1002B
da empresa Tektronix, este equipamento possibilita quando configurado pelo usuário a
exibição de medidas relativas ao sinal apresentado, desta forma o equipamento foi
configurado para exibir a tensão pico a pico da forma exibida, ou seja, esta tensão apresentada
é a tensão de ripple da fonte. Seguem abaixo resultados obtidos:
a) Amostra A
Figura 26 - Tensão de Ripple (A).
Fonte: Autoria do autor.
‹’’Ž‡ ൌ
ଷଶ଴୫୚
ଵଶǡହ
ൈ ͳͲͲ ൌ ʹǡͷ͸Ψ
b) Amostra B
(15)
53
Figura 27 - Tensão de Ripple (B).
Fonte: Autoria do autor.
‹’’Ž‡ ൌ
ଷଶ଴୫୚
ଵଵǡଽ
ൈ ͳͲͲ ൌ ʹǡ͸ͺΨ
(16)
Fundamentos pelos percentuais de ondulação (ripple) obtidos acima, podemos
constatar que ambas as amostras tiveram um desempenho similar e satisfatório, pois foi
demonstrado um baixo percentual de variação da tensão de saída.
4.4
EFICIÊNCIA
O teste deste parâmetro é fundamental, pois determina o quanto de energia
presente na entrada da fonte chaveada é entregue a carga. Para obtermos o percentual de
eficiência, basta realizar uma relação da potencia de saída pela potencia de entrada, como
demonstram as fórmulas (17), (18), (19) e (20), a fim de determinar o quanto de energia foi
consumida pelo dispositivo no processo de retificação do sinal. `
Para a avaliação deste parâmetro, utilizamos um equipamento denominado “AC
Power Source”, equipamento que fornece através de um display a potência do dispositivo que
esta sendo alimentado, desta forma tornou-se desnecessária a utilização de dois multímetros
54
para que fossem realizadas as leituras de tensão e corrente de entrada. Seguem abaixo
resultados obtidos:
a) Amostra A
Tabela 5 - Resultados obtidos em Eficiência (A).
Fonte: Autoria do autor.
ϐ‹…‹²…‹ƒଵଵ଴୚୅େ ൌ
ଵଷǡହଽ
ϐ‹…‹²…‹ƒଶଶ଴୚୅େ ൌ
ଵଷǡହଽ
ଵସǡଽ
ଵସǡଽ
ൈ ͳͲͲ ൌ ͻͳǡʹΨ
(17)
ൈ ͳͲͲ ൌ ͻͳǡʹΨ
(18)
b) Amostra B
Tabela 6 - Resultados obtidos em Eficiência (B).
Fonte: Autoria do autor.
ϐ‹…‹²…‹ƒଵଵ଴୚୅େ ൌ
ଵଵǡ଼଻
ϐ‹…‹²…‹ƒଶଶ଴୚୅େ ൌ
ଵଵǡ଼଼
ଵଷǡସ
ଵସǡଵ
ൈ ͳͲͲ ൌ ͺͺǡ͸Ψ
(19)
ൈ ͳͲͲ ൌ ͺͶǡʹΨ
(20)
c) Setup de testes
55
Figura 28 - Setup de testes.
Fonte: Autoria do autor.
Podemos constatar pelos dados apresentados, que a amostra A proporcionou
melhores resultados, quando comparada com amostra B. Estes resultados, em longo prazo,
implicarão na redução de custos devido a consequente diminuição do consumo de energia,
bem como o prolongamento da vida útil da fonte alimentação e de seus componentes.
4.5
TEMPO DE SUSTENTAÇÃODA TENSÃO DE SAÍDA (HOLD-UP)
Para determinar a relação do tempo de sustentação pela tensão, foi utilizada a
função de trigger do osciloscópio de borda de descida, desta forma foi possível verificar a
característica do sinal de exponencial negativa causada pela descarga do capacitor, segue
abaixo forma de onda obtida:
a) Amostra A
56
Figura 29 - Hold-up Amostra A.
Fonte: Autoria do autor.
b) Amostra B
Figura 30 - Hold-up Amostra B.
Fonte: Autoria do autor.
Podemos verificar que em ambas as amostras, não foram exibidas características
de onda de forma a proporcionar um tempo de sustentação. Desta forma, podemos constatar
que seriam necessárias a substituição dos capacitores existentes, por capacitores que
pudessem acumular mais energia. Portanto, podemos concluir que através deste teste, é
possível determinar por quanto tempo a fonte alimentação consegue sustentar a tensão de
saída.
57
5
CONCLUSÃO
Com o advento das fontes de alimentação visando à segurança dos equipamentos
é imprescindível que se busque sua qualidade. Parâmetros básicos devem ser aferidos e
interpretados para que a segurança oferecida por esse produto seja realmente eficaz. A
tecnologia da fonte chaveada trouxe muitos avanços em relação à eficiência, redução de
volume e por isto estas estão sendo amplamente empregadas em diversas funções diferentes.
Para embasar esse tema buscou-se uma vasta quantidade de dados e informações em diversas
fontes, visando construir uma base de conhecimentos nesse sentido.
Assim sendo os parâmetros discutidos no referido trabalho consistem em alguns dos
que podem ser considerados para julgamento de uma fonte. Ou seja, com os procedimentos de
testes apresentados é possível avaliar se especificações fornecidas pelo fabricante atendem aos
requisitos mínimos para assegurar o pleno exercício de suas funções. Por questões estruturais
nem todos os parâmetros puderam ser avaliados em bancada, no entanto as fontes de
alimentação os que foram submetidos aos testes demonstraram um resultado final bem
semelhante entre elas. Os parâmetros selecionados permitem uma ampla abrangência quanto
ao aspecto funcional do produto, podendo assim concluir que bons resultados refletem boa
qualidade.
Como sugestão para trabalhos futuros objetiva-se o desenvolvimento de um
sistema automatizado que pudesse servir de ferramenta para aferir alguns parâmetros, de
modo que possa disponibilizar resultados mais rápidos. No entanto o estudo teórico realizado
para o presente trabalho trouxe a possibilidade de discussão de um maior número de
parâmetros e suas respectivas características técnicas.
Conclui-se assim, que se torna evidente a necessidade de um critério mais rígido
em relação à avaliação de qualidade de fontes chaveadas. Esse produto, por constituir uma
fonte de alimentação para o equipamento, é essencial para seu funcionamento e
principalmente para a segurança de sua estrutura e componentes. Desse modo, fazem-se
necessários que as empresas que utilizem desses produtos realizem mais aferições, visando
diminuir custos de assistência técnica e prejuízos de retrabalho entre outros advindos de
possíveis falhas no funcionamento de fontes chaveadas.
58
6
REFERÊNCIAS
BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência: projeto de fontes chaveadas. 2 ed. Florianópolis: Ed.
do autor, 2007.
BELTRAME, Fernando. SEPOC 2010: Interferência eletromagnética. Santa Maria. 2010.
BOGART, Jr., THEODORE F. Dispositivos e circuitos eletrônicos. v.2. 3ed. São Paulo:
Makron books, 2001.
CANESIN, CARLOS ALBERTO. Qualidade da energia elétrica, eficiência
racionalização desperdício versus desconhecimento. Ilha Solteira: UNESP, 2001.
e
MEHL, EWALDO. Qualidade da Energia Elétrica. Curitiba: UFPR, 2007.
MALVINO, A. P. Eletrônica. v.2. 4ed. São Paulo: Makron books, 1997.
POMÍLIO, J. A. Caracterização de fontes chaveadas. cap.12. Disponível em
<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/CAP12.pdf>. Acesso em 06 de novembro
de 2013.
WIKIPÉDIA.
Fonte
chaveada.
Disponível
em:
https://pt.wikipedia.org/wiki/Fonte_chaveada>. Acesso em: 15 de novembro de 2013.
<
VENTORINI, Afonso. Desenvolvimento de uma fonte de alimentação chaveada ajustável
em tensão e corrente completamente controlada por microcontrolador e de alto fator de
potência. 2007. 76f. Dissertação (Pós-graduação em Engenharia Elétrica). Universidade
Federal do espírito Santo, Vitória, 2007.
IBEC. Certificação ANVISA de Equipamentos Eletromédicos e os Ensaios de
Compatibilidade Eletromagnética. São Paulo, S/D. Apostila Eletromédica.
PETRY, A. Clóvis. Introdução à eletrônica de potência. Florianópolis, 2013. Disponível
em http://www.professorpetry.com.br/Ensino/Eletronica_Potencia/Capitulo_1.pdf. Acesso em
17 de novembro de 2013.
ZHANG, M. T., JOVANOVIC, M. M., LEE, F. C. Design and Analysis of Thermal
Management for High-Power-Density Convertes in Sealed Enclosures. Virginia
Polytechnic Institute and State University, Blacksburg.