Fontes chaveadas que comutam a corrente total da carga a cada ciclo ficam sujeitas a picos de potência que reduzem a sua vida útil e também podem gerar interferências eletromagnéticas (EM!). Quando se aumenta a frequência de chaveamento para tentar realizar uma redução de transformadores e componentes de filtragem, as perdas de comutação são mais significativas. Por outro lado, caso a mudança de estado das chaves ocorra quando a tensão e/ou corrente por elas for nula, o chaveamento se faz sem dissipação de potência, onde está o foco deste artigo que trata das "fontes ressonantes”.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 157 de 2013.
Pode-se dizer que os conversores de potência estão divididos em dois grandes grupos: os conversores com comutação forçada (Hard Switching) e os conversores com comutação suave (Soft Switching). Os primeiros e muito utilizados conversores são aqueles com modulação por largura de pulso (PWM), muito usados em dezenas de quilohertz, na qual as perdas por comutação ainda são toleráveis. Porém, com o grande crescimento da microeletrônica e da eletrônica, houve a necessidade de diminuir o peso e volume dos componentes e, ainda assim, aumentar a potência dos conversores.
Os conversores de potência são constituídos por circuitos com interruptores que "recortam" formas de ondas de tensão e/ou corrente com o objetivo de variar seu valor médio e, assim, entregar à saída um valor desejado de tensão ou corrente. Porém, este raciocínio se esquece que os componentes não são ideais e que os mesmos apresentam um aumento nas perdas com o aumento da frequência.
Então, para manter as perdas constantes é necessário utilizar componentes com melhores características, o que geralmente só é possível de se obter colocando um capacitor em paralelo para reduzir a resistência série equivalente; no caso dos indutores é necessário trabalhar com valores de indução reduzidos, pois as perdas no núcleo também aumentam com a frequência, o que implica em um aumento do tamanho do núcleo utilizado. É possível, ainda, empregar núcleos de ferrite de melhor qualidade, os quais apresentam um custo mais elevado. Outro fato importantíssimo está relacionado às perdas de comutação no interruptor, que crescem de forma proporcional à frequência de operação, desta forma para uma mesma potência, ao aumentar a frequência de operação, seria necessário aumentar o tamanho do dissipador e/ou trocar o transistor.
Para minimizar estes problemas foram introduzidos os conversores de comutação suave, sendo os principais: os ressonantes, os quase ressonantes e os multi ressonantes. Eles fazem com que a tensão e/ou a corrente se anulem naturalmente no interruptor e utilizam este momento para desligar o interruptor, reduzindo assim as perdas por comutação. Como nada é perfeito, ao "ganhar" nas perdas por comutação se perde em condução devido às ondas senoidais das tensões e correntes.
A seguir, será visto o que são as fontes lineares, as chaveadas, o PWM e as fontes ressonantes, alguns tipos de perdas em fontes chaveadas e em fontes ressonantes, além das topologias básicas de conversores ressonantes que possibilitam a comutação sem dissipação por potência (calor).
Fontes lineares
Em uma fonte de alimentação linear, a tensão alternada da rede elétrica é aumentada ou reduzida por um transformador. Depois, a tensão alternada em forma de onda senoidal é retificada por diodos (ou por uma ponte de diodos) para que somente os ciclos positivos ou negativos da onda senoidal possam ser usados, a seguir estes são filtrados para reduzir o ripple (ondulação) e, finalmente, regulados pelo circuito regulador de tensão de onde sairá a tensão contínua desejada.
PWM
PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation, ou Modulação de Largura de Pulso. Para que se entenda como funciona essa tecnologia no controle de potência, partimos de um circuito imaginário formado por uma carga que deve ser controlada, de acordo com a figura 1.
Quando o interruptor está aberto não há corrente na carga e a potência aplicada é nula. No instante em que o interruptor é fechado, a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é a máxima.
Para se obter uma potência intermediária de 50% aplicada à carga deve-se fazer com que a chave seja aberta e fechada rapidamente, de modo a ficar 50% do tempo aberta e 50% fechada. Isso significa que, em média, teremos metade do tempo com corrente e metade do tempo sem corrente, conforme mostra a figura 2.
Variando-se a largura do pulso e também o intervalo de modo a termos ciclos ativos diferentes, pode-se controlar a potência média aplicada a uma carga. Assim, quando a largura do pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na mesma proporção. Este princípio é usado justamente no controle PWM: a largura do pulso é modulada (variada) de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e, com isso, a potência aplicada a ela, conforme indica o gráfico na figura 3 a seguir.
Os circuitos integrados desta série possuem implementados internamente um oscilador ajustado para um controle preciso do ciclo ativo sob condições de lock-out de tensão, além de possuir uma corrente de partida menor que 0,5 mA. Além disso, eles possuem uma referência de precisão para a entrada do amplificador de erro, uma lógica para assegurar a operação travada, um comparador PWM que também proporciona um controle de limitação de corrente e uma etapa de saída totem pole projetada para fornecer ou drenar altas correntes de pico.
Fonte chaveada
É uma unidade de fonte de alimentação eletrônica que incorpora um regulador chaveado, ou seja; um circuito controlador interno que chaveia (comuta) a corrente, ligando e desligando rapidamente, controlando a largura do pulso de uma onda quadrada de forma a manter uma tensão de saída estabilizada. Reguladores chaveados são utilizados para substituição de reguladores lineares mais simples, quando uma eficiência maior, menor tamanho e maior leveza forem requeridas. Eles, entretanto, são mais complexos e mais caros, e o chaveamento da corrente pode causar problemas de ruído (tanto eletromagnético quanto sonoro) se não forem cuidadosamente suprimidos, e projetos simples podem ter baixo fator de potência.
A fonte de alimentação chaveada é alimentada com uma tensão alternada (CA) para uma etapa de retificação (de alta ou baixa tensão) e filtrada através de capacitores, a tensão resultante é "chaveada" ou comutada (transformada em tensão CA de alta frequência) utilizando-se transistores de potência. Essa energia "chaveada" é passada por um transformador (para elevar ou reduzir a tensão) e, finalmente, retificada e filtrada. A regulação ocorre devido a um circuito de controle com realimentação que de acordo com a tensão de saída altera o ciclo de condução do sinal de chaveamento, ajustando a tensão de saída para um valor desejado e pré-definido.
A vantagem é que o rendimento de potência é maior e a perda por geração de calor bem menor do que nas fontes lineares. Além disso, necessita de transformadores menores e mais leves. A desvantagem é a emissão de ruídos e radiação devido à alta frequência de chaveamento.
Perdas em fontes chaveadas
As fontes chaveadas que não possuem conversor ressonante têm perdas significativas quando ocorre o chaveamento. Veja na figura 4.
Conversores ressoantes
As fontes ressonantes foram desenvolvidas para suprir a necessidade da microeletrônica e também para ganhar melhor desempenho.
Estas fontes realizam a comutação quando a tensão e/ou a corrente estão anuladas pelo capacitor e indutor. Quando a comutação ocorre nos pontos de anulação da tensão ZVS (Zero Voltage Switching), fica indicada conforme ilustra a figura 5. O capacitor fica ligado em paralelo com o dispositivo.
Quando a comutação ocorre nos pontos de anulação da corrente ZCS (Zero Current Switching), fica indicada conforme exibe a figura 6. O indutor fica em série com o dispositivo.
As principais vantagens dos conversores ressonantes são as seguintes: operação com alta frequência; as perdas de comutação são reduzidas (devido à existência de ZVS ou de ZCS); comutação suave com geração de EMI reduzida, contrariamente ao que acontece nas topologias comutadas (devido aos valores elevados de di/ dt e de dv/dt); redução de dimensões (volume e peso); e grande densidade de potência.
Desvantagens: Difícil dimensionamento das grandezas elétricas; controle mais complexo; e perdas de condução não desprezáveis. A figura 6 representa o ZCS. Um exemplo de circuito ressonante-série e mostrado na figura 7.
As fórmulas para os cálculos dos circuitos em série são:
• Resistor e indutor: Z = V (XI2 + R2)
• Resistor e capacitor: Z = V (Xc2 + R2)
• Resistor, indutor e capacitor: Z = V (XI - Xc)2 + R2
• Corrente: Ic = Vr / Z
Onde:
• Z = impedância
• R = resistor
• C = capacitor
• XI = reatâncias indutivas
• Xc = reatâncias capacitivas
• L = indutor
• V = tensão
• Ic = Corrente no capacitor
Um exemplo de circuito ressonante paralelo é visto na figura 8.
As fórmulas para os cálculos dos circuitos em paralelo são:
• Corrente no capacitor: Ic = Vt / Xc
• Corrente no indutor: II = Vt / XI
• Corrente total: It = V Ir2 + (II – Ic)2
• Impedância no circuito paralelo: Z = Vt / It
Conversores quase ressoantes
Os conversores quase ressonantes se assemelham às topologias de PWM com o mesmo princípio de transferência de energia, onde se inclui um interruptor ressonante, este interruptor engloba uma bobina (L1) e um capacitor (C1).
Materiais e Métodos
Neste capítulo mostraremos como foram realizados os softwares e hardwares aplicados nos testes e na pesquisa.
Os esquemas elétricos foram realizados no software ambiente de programação PROTEUS. Este é utilizado no desenvolvimento de projetos de eletrônica, possui diversos componentes onde é possível realizar simulações dos circuitos montados, além de possuir osciloscópios e multímetros para realização de possíveis medições.
O método utilizado é o bibliográfico. Foram pesquisadas várias fontes bibliográficas, comparando-se diversos autores. Foram testados os circuitos no software de programação PROTEUS. Na tabela 1 são comparados os resultados de "zero tensão" no momento do chaveamento ZVS e de "zero corrente" no momento do chaveamento ZCS.
Aplicações para circuitos ressonantes RLC em Série e em Paralelo
Além de obterem um melhor desempenho e funcionalidade em fontes, os circuitos ressonantes também possuem outras funções, tais como em um aparelho de rádio, por exemplo, que recebe os sinais (frequências) transmitidos por todas as emissoras, mas apenas reproduz os sinais de uma delas, sendo necessário separar uma única frequência de todo o conjunto. Para essa finalidade utilizam-se os circuitos RLC ou LC em paralelo.
Já uma aplicação para o circuito RLC em série consiste em eliminar uma frequência de um conjunto, como, por exemplo, em uma TV que recebe sinais (frequências) de todos os canais de televisão, e através de um circuito LC em paralelo, apenas um canal é selecionado. Entretanto, o sinal do canal compõe-se de vídeo e áudio, que devem ser encaminhados para circuitos diferentes. Para evitar que o sinal de som interfira na imagem, é necessário acrescentar (antes do circuito de vídeo) um circuito que elimine a frequência de som. Para esta função, utiliza-se um circuito RLC em série.
Conclusão
Circuitos ressonantes são novos no mercado e por isso devem ser estudados e analisados, pois poderão constituir o futuro das fontes chaveadas.
Pode-se observar que o uso de conversores ressonantes garante um melhor desempenho/rendimento, além de trabalhar com componentes de menor porte na filtragem da fonte. Estes conversores visam aumentar o controle de chaveamento para obter-se um valor de tensão desejada. Empresas que investirem seus capitais neste diferencial, nestes conversores, estarão investindo em tecnologia e saindo na frente com relação aos seus -r concorrentes.
