Fonte Chaveada de 5 V com 1 A (ART2267)

Baseados em documentação técnica da Texas Instrumentos e da Motorola, elaboramos este artigo, em que descrevemos a montagem de um fonte chaveada de 5 V x 1 A, que facilmente poderá ser ampliada para correntes de até 10 A, indicada para o uso em equipamentos digitais e outros que necessitem a tensão indicada. A base do circuito é o integrado TL594 e uma fonte de entrada de 10 a 40 V, cujo diagrama para correntes de 1 e 10 A são dados no artigo.

Todos os equipamentos eletrônicos necessitam de fontes de alimentação, que são responsáveis pela conversão da energia da forma alternada, disponível na rede, para energia em forma de corrente contínua, segundo as necessidades de cada projeto.

Basicamente são empregadas duas técnicas de regulagem da tensão nas fontes comuns: reguladores analógicos ou lineares e reguladores comutados, ou chaveados como também são chamados.

Os reguladores lineares necessitam de etapas de retificação e filtragem, que envolvem o uso de transformadores pesados e diodos, cujas dimensões são determinadas pela potência que se necessita.

Estes reguladores não apresentam bom rendimento, o que se torna um obstáculo a ser vencido no projeto de fontes de altas potências.

Por outro lado, as fontes que usam os reguladores chaveados não necessitam de transformadores tão pesados e até podem operar com CA, já que, após a retificação, um transistor de alta freqüência e um indutor podem fazer a filtragem com grande eficiência.

A alta eficiência de uma fonte chaveada tornou seu uso comum em equipamentos militares e espaciais desde há muitos anos.

No entanto, somente agora, com o aparecimento de componentes de baixo custo e de tecnologia avançada, é que se pode desenvolver bons projetos ao alcance do grande público. (O artigo é de 1989. Hoje as fontes chaveadas são comuns)

Para que você tenha uma idéia da evolução desta técnica, basta dizer que enquanto, em 1975, uma fonte Chaveada só se tornava compensadora em relação a uma fonte comum para potências acima de 500 W, hoje este valor caiu para apenas 5 W, segundo informações da Texas Instruments.

São muitos os fabricantes que dispõem de integrados específicos para a elaboração de fontes chaveadas.

Dentre eles destacamos a Texas Instrumentos e a Motorola, que fazem o TL594, componente básico de nosso projeto.

Este integrado, cujo diagrama equivalente interno é mostrado na figura 1, consiste numa fonte completa para correntes até 200 mA.

Figura 1 – Diagrama interno do TL594

Com a utilização de transistores externos, podemos ampliar esta capacidade de corrente consideravelmente.

Assim, com um TIP32A, que é a base de nosso projeto, chegamos a 1 A, e com um TIP73 e um TIP30, chegamos aos10 A.

Características (5V/1A)

- Tensão de entrada: +10 a +40 V

- Eficiência: 72%

- Regulação de carga (Vin : 12,6V e Io : 0,2 a 200 mA) : 5,0 mV/0,025%

- Regulação de linha (Vin : 8,0 a 40 V) : 3,0 mV/0,01%

- Corrente de curto-circuito (Vin 12,6V, RL : 0,1 ohm) : 250 mA

- Ripple de saída (Vin : 12,6V, Io = 200 mA) : 40 mVpp

FONTE DE ENTRADA

Para a aplicação da tensão de entrada entre 10 e 40V para corrente de 1 A, temos um circuito de retificador e filtro, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Retificador de entrada

O transformador tem enrolamento primário de acordo com a rede local e secundário único, de 12 V com corrente de 1 A.

Uma ponte retificadora, formada por 4 diodos 1N4001, pode ser usada e um capacitor de 2200 µF x 25 V pode ser usado para a filtragem

Para a versão de 10 V, que poderá ser elaborada para um “serviço pesado“, temos o circuito da figura 3.

Figura 3 – Versão de 10 V

Esta fonte, sugerida pela Texas Instruments, fornece 32 V sob corrente de 3 A, que resultarão nos 5 V sob corrente de 10 A.

O transformador tem enrolamento primário de acordo com a rede local e secundário único, de 24 V x 3 A.

Uma ponte retificadora de 50 V x 5 A é empregada e, para a filtragem, dois capacitores de 20 000 ou 22 000 µF x 50 V.

Damos a seguir alguns dados para determinação dos valores dos componentes usados, em função dos quais podem ser feitas alterações de acordo com as necessidades de cada projetista.

a) Circuito de controle

Oscilador

A freqüência do oscilador contido no TL594 é dada pela ligação externa de um capacitor e um resistor de temporização entre os pinos 5, 6 e 7.

Os valores destes componentes são calculados de modo a se obter uma frequência de 20 kHz.

As equações que permitem calcular estes componentes são:

F = 1/Rt.Ct

onde:

Rt é o valor do resistor de temporização (Ω)

Ct é o valor do capacitor de temporização (Farads)

Fixando Ct em 0,001 µF, ou 1nF, podemos calcular Rt.

 

Na prática, usamos o valor comercial mais próximo, 47k.

Amplificador de erro:

O amplificador de erro toma uma amostra da tensão de saída e a compara com uma tensão de referência interna e, em sua função, ajusta a largura do pulso, através de um modulador, para manter a saída no nível desejado, como mostra a figura 4.

Figura 4 – Amplificador de erro

A referência interna de 5 V é obtida do pino 14 do TL594 e, através de um divisor resistivo, é levada a um valor um pouco menor, aplicado ao pino 2.

Se a saída precisar de um ajuste fino de tensão, a fim de obter exatamente o desejado, em função das características dos componentes como, por exemplo, a tolerância, sugerimos a utilização de um potenciômetro de 47k em lugar de R7 no circuito da fonte de 1A.

Para a fonte de 10 A deve-se trocar o resistor R8 por um potenciômetro de 10 k.

O resistor RS tem por finalidade determinar o ganho do amplificador de erro, enquanto C3, em série com R4, diminui a resposta à transientes ou variações rápidas da tensão de saída.

Na fonte de 10 A, o resistor R7 tem a mesma função, reduzindo o ganho do amplificador a 100 vezes.

Amplificador limitador de corrente:

O setor de limitação de corrente da fonte é mostrado na figura 5.

Figura 5 – Limitador de corrente

Os resistores R7 e R8 fixam uma tensão de referência de aproximadamente 100 mV na entrada inversora do amplificador limitador de corrente.

O resistor R9, em série com a carga, aplica 0,1V ao terminal não inversor do amplificador limitador quando a corrente de carga alcançar 1A.

A largura do pulso de saída será então, reduzida de acordo com esta tensão.

O valor de R9 é calculado como se segue:

R9 = 0,1/1 = 0,1 ohm

Para o regulador de 10 A, a tensão de referência é fixada em 1V pelo mesmo tipo de divisor, de modo que, com 1OA, temos uma tensão de 1V no resistor de O,1 Ω, chegando aos mesmos efeitos finais de proteção.

Partida suave e tempo morto:

Para reduzir o esforço sobre os transistores comutadores no momento em que ocorre a partida da fonte, a corrente inicial de carga dos capacitores de filtro de saída deve ser reduzida convenientemente.

A disponibilidade de um controle chamado de “tempo morto" (dead time) no TL594 torna a implementação deste recurso de partida suave possível, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Partida suave

O sistema de partilha suave (soft start) faz com que a largura do pulso na saída cresça suavemente, como mostra a figura 7, pela aplicação de uma realimentação negativa na entrada do controle de tempo morto, que corresponde ao pino 7.

Figura 7 – Forma de onda da partida suave

Inicialmente, o capacitor C2 força a entrada de controle de tempo morto a seguir a referência de tensão de 5V, que desabilita a saída, obtendo-se 100% de tempo morto.

A medida que o capacitor se carrega, através de R6, a largura do pulso de saída aumenta suavemente até que o Ioop de controle toma o comando do circuito.

Com uma relação de valores para os resistores R6 e R7 (fonte de 10 A) de 1 para 10, a tensão no pino 4, após a partida, será de 0,1 x 5, ou 0,5V.

Este circuito não será usar do na fonte de apenas 1A, já que isso não força o transistor comutador.

O tempo de partida suave está normalmente na faixa de 25 a 100 ciclos de clock.

Se selecionarmos 20 ciclos de clock a uma freqüência de 20 kHz, o tempo de partida suave será calculado pela seguinte expressão:

T=: 1/f 2 1/20kHz

T = 50 us por ciclo de clock

O valor calculado do capacitor será dado por:

 

Este recurso é importante, pois ajuda a evitar o aparecimento de variações rápidas na saída da fonte quando a alimentação é estabelecida.

Tomamos como exemplo o cálculo do indutor para a versão de 10 A, já que para a fonte menor o procedimento é análogo.

O indutor (L) (figura 8) deve ser calculado da seguinte maneira:

Figura 8 – O indutor L

d = Ciclo ativo : Vo/Vi : 5/32 : O,156

f = 20 kHz (fixado pelo projeto)

ton = tempo ligado (S1 fechado)

1/f X d = 7,8 us

 

b) Cálculos da Capacitância de Saída

Uma vez a indutância do filtro calculada valor do capacitor de filtro da saída será determinado em função do nível de ripple desejado.

Um Capacitor eletrolítico associado ao indutor e mais um resistor formam o circuito final.

Para se obter uma boa filtragem, a freqüência do ripple deve ficar bem abaixo do valor em que começa a haver a influência da indutância no circuito.

Assim, se dois componentes principais considerados são a capacitância e a resistência efetiva em série (ESR), temos que o ESR máximo será calculado de acordo com a relação entre a tensão pico-a-pico de ripple e a corrente de ripple pico-a-pico.

Para o circuito de 1OA, temos:

 

A capacitância mínima necessária de C3 para a fonte de 10 A, que mantém a tensão de ripple na saída em pelo menos 100 mV, que é a obtida do projeto, é calculada pela seguinte equação:

 

Um capacitor de 220 µF x 60 V será utilizado naquele circuito, porque possui as condições de operação exigidas, que são um ESR de 0,074 Ω e uma corrente máxima de ripple de 2,8 A.

MONTAGEM

O circuito completo da fonte, em sua versão de 1A, é mostrado na figura 9.

Figura 9 – Circuito completo da fonte

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é dada na figura 10, observando-se que as trilhas que conduzem as correntes principais devem ser compatíveis com a sua intensidade.

Figura 10 – Placa para a montagem

Os resistores podem ser todos de 1/8 W, exceto R9 que deve ser de 1 W.

Os eletrolíticos têm as tensões de operação indicadas no próprio diagrama.

O reator de 1,0 mH deve ser dimensionado com fio capaz de suportar a corrente indicada.

O transistor de potência TIP32A deve ser montado em um bom radiador de calor.

Para a fonte de 10 A, dada a intensidade da corrente, deve ser muito bem dimensionado o dissipador de calor do transistor Q2.

Na figura 11 temos o diagrama da versão de 10 A, sugerida pela Texas Instruments.

Figura 11 – Versão de 10 A

Como os Componentes usados nestes projetos são profissionais, em caso de dificuldade de obtenção, principalmente com relação ao integrado, transistores e diodos de comutação, sugerimos que o fabricante seja consultado.