O que é uma fonte de alimentação chaveada? Guia completo sobre seu funcionamento e como escolher

Explicação abrangente sobre fontes de alimentação chaveadas, desde os conhecimentos básicos e o funcionamento até os critérios de seleção, exemplos de aplicação de 24 V e 12 V e medidas contra ruídos. Repleto de informações úteis para engenheiros iniciantes e intermediários. Conheça também os Produtos e o sistema de suporte da nossa empresa, a UNIFIVE.

O que é uma fonte de alimentação chaveada? Explicação simples sobre seu funcionamento básico e os principais pontos de aplicação

Para projetistas e engenheiros de equipamentos elétricos e eletrônicos, a fonte de alimentação chaveada é indispensável para obter alta eficiência, tamanho compacto e baixo custo. Neste artigo, explicamos de forma abrangente os principais aspectos que você precisa conhecer, como a estrutura básica e o princípio de funcionamento das fontes de alimentação chaveadas, os critérios de seleção para cada aplicação, as medidas de redução de ruído e as normas de segurança. O conteúdo foi organizado de maneira acessível tanto para engenheiros iniciantes e de nível intermediário quanto para quem está começando a projetar fontes de alimentação. Acompanhe até o final.

História das fontes de alimentação chaveadas

A história das fontes de alimentação chaveadas remonta ao século XIX.

Há uma teoria segundo a qual a primeira fonte de alimentação chaveada do mundo foi desenvolvida pela IBM em 1958. A fonte projetada pela IBM naquela época aparentemente se baseava na tecnologia de válvulas a vácuo. No mesmo período, a GM solicitou uma patente semelhante para a oscilação de transistores, e acredita-se que essa inovação tecnológica tenha ampliado drasticamente as opções disponíveis para os projetistas de equipamentos. A década de 1960 foi um período de grande atividade em diversas áreas, desde os setores espacial e de telecomunicações até os campos da eletrônica e da computação.

Mecanismo e princípio de funcionamento das fontes de alimentação chaveadas

*Exemplo de diagrama de blocos básico de uma fonte de alimentação chaveada

Uma fonte de alimentação chaveada é um conversor de energia que retifica a corrente alternada (CA) de entrada e a converte em corrente contínua (CC), controlando então a tensão por meio do rápido acionamento e desligamento de componentes de chaveamento de alta frequência (como MOSFETs). Em comparação com as fontes de alimentação lineares, suas principais características são as seguintes:

• Alta eficiência: como a operação de chaveamento fornece apenas a energia necessária, a ondulação e a geração de calor são reduzidas, permitindo um funcionamento eficiente.
• Tamanho compacto: o chaveamento em alta frequência permite reduzir o tamanho dos transformadores e dos componentes de filtro, economizando espaço na placa de circuito.
• Ampla faixa de tensão de entrada: dependendo do circuito de controle, muitos Produtos podem operar de forma flexível com sistemas de 100 V a 200 V.

De modo geral, o princípio de funcionamento segue este fluxo: entrada CA -> circuito retificador -> circuito de chaveamento de alta frequência (controle PWM etc.) -> transformador de isolamento (conforme necessário) -> retificação e filtragem -> saída. O circuito de controle mantém constantes a tensão e a corrente de saída por meio de PWM (modulação por largura de pulso), e muitos modelos também dispõem de funções de proteção contra sobretensão e sobrecorrente.

Diferenças em relação à fonte de alimentação linear e pontos importantes para a escolha

A fonte de alimentação linear (regulador em série) é frequentemente comparada à fonte de alimentação chaveada. Como a fonte de alimentação linear reduz a tensão por meio de um transistor ou de um CI regulador, ela gera pouco ruído de alta frequência e tem um projeto simples, mas apresenta as seguintes desvantagens.

• Baixa eficiência: como o excesso de energia é dissipado na forma de calor, é necessário um projeto de refrigeração com componentes como um dissipador de calor.
• Grande e pesada: é necessário aumentar o tamanho do transformador e do dissipador de calor.

*Tabela comparativa entre fontes de alimentação chaveadas e lineares

Por outro lado, embora as fontes de alimentação chaveadas possam exigir medidas de redução de ruído, sua vantagem é permitir simultaneamente tamanho compacto, baixo peso e alta eficiência.
Ao escolher, verifique os seguintes pontos.

1. Faixa de tensão e corrente de saída
2. Faixa de tensão de entrada (AC/DC)
3. Eficiência, geração de calor e método de refrigeração
4. Características de ruído
5. Funções de proteção (proteção contra sobretensão, proteção contra sobrecorrente etc.)
6. Tamanho, peso e preço

Por que as fontes de alimentação chaveadas são eficientes?

As fontes de alimentação chaveadas apresentam alta eficiência porque o dispositivo de chaveamento opera ligado ou desligado, permanecendo por um tempo extremamente curto em tensões intermediárias. Como não há perdas contínuas como nas fontes de alimentação lineares, elas geram menos calor e contribuem para a economia de energia.

Além disso, o controle da frequência de chaveamento e da largura dos pulsos de acordo com as variações da carga permite fornecer energia sem reduzir excessivamente a eficiência, mesmo no modo de espera ou sob carga leve, o que também representa uma grande vantagem.

Tipos de topologias de circuitos de fontes de alimentação chaveadas

Circuito elevador-abaixador (conversor buck-boost)

O tipo elevador-abaixador utiliza uma configuração não isolada e permite tanto elevar quanto reduzir a tensão. Esse circuito é usado para obter uma tensão de saída com polaridade oposta à tensão de entrada. Quando o interruptor está ligado, a energia flui para o indutor; quando o interruptor está desligado, a energia é liberada pelo indutor através do diodo. Em comparação com o tipo abaixador, uma corrente maior passa pelo capacitor (usado como filtro de saída).

Circuito de topologia abaixadora (conversor buck)

A topologia abaixadora não possui isolamento entre a entrada e a saída, pois não utiliza um transformador no circuito. O conversor buck é utilizado quando a tensão de entrada é maior que a tensão de saída. A tensão de saída é reduzida multiplicando-se a tensão de entrada pela proporção de tempo em que a chave permanece ligada. Também conhecida como topologia step-down (topologia chopper abaixadora), é uma configuração de circuito comum empregada em conversores DC-DC que reduzem a tensão da entrada até a saída. Quando o elemento de comutação está ligado, a energia é transferida enquanto é armazenada no indutor ou na bobina. Quando a chave está desligada, o indutor libera a energia através do diodo ou de um elemento de comutação, como um MOSFET. Como a configuração do circuito é relativamente simples, ela também oferece a vantagem de um custo comparativamente baixo.

Circuito de topologia elevadora (conversor boost)

O circuito de topologia elevadora é utilizado quando se deseja uma tensão de saída superior à tensão de entrada. Quando um elemento de chaveamento, como um MOSFET, está ligado, a energia é armazenada no indutor; quando está desligado, a energia é liberada do indutor para a carga através do diodo. Como a energia da tensão de entrada é adicionada à energia armazenada na bobina, a tensão de saída torna-se superior à tensão de entrada.

Configuração push-pull

Tomando como exemplo um conversor push-pull, trata-se de um conversor com múltiplos elementos de comutação. Duas bobinas (com o mesmo número de espiras) no lado primário do transformador são conectadas em série, com o ponto central ligado ao polo positivo da fonte de alimentação e cada uma das extremidades ligada ao polo negativo por meio de um interruptor de lado baixo. Ao ligá-los e desligá-los alternadamente, gera-se um campo magnético alternado no núcleo do transformador. Como a frequência de conversão no lado secundário é o dobro da frequência no lado primário, é possível reduzir o tamanho do filtro. Existem 2 tipos de conversores push-pull: alimentados por corrente e alimentados por tensão. Eles são adequados para fontes de alimentação de capacidade relativamente alta.

Topologia forward

Tomando como exemplo o conversor forward, trata-se de um tipo de conversor on-on com uma configuração básica de chave única, usado principalmente em fontes de alimentação de baixa potência, de até algumas centenas de W, e em fontes de média potência. Durante o período em que o elemento de chaveamento do lado primário está ligado, a energia é transferida para o lado secundário por meio de um transformador intermediário. Os enrolamentos primário e secundário do transformador são conectados com a mesma polaridade. Embora exija dois componentes, um transformador e uma bobina de choque, apresenta alta eficiência.

Topologia flyback

Tomando como exemplo um conversor flyback, trata-se de um tipo de conversor on/off com um único elemento de comutação. Quando o elemento de comutação está ligado, a energia é armazenada no enrolamento primário do transformador. Quando o elemento de comutação é desligado, essa energia armazenada é liberada pelo enrolamento secundário do transformador, passando pelo diodo, sendo então retificada pelo circuito retificador e suavizada pelo circuito de filtragem, gerando uma tensão CC. Devido a essa característica, essa topologia também é chamada de tipo on/off. O projeto do transformador é um pouco mais complexo, seu tamanho é relativamente grande e uma corrente elevada flui pelo capacitor. Essa topologia permite dispensar a bobina de choque.

Topologia de ponte completa

Trata-se de uma topologia com vários braços de comutação básicos, na qual os dispositivos de comutação conectados em série são ligados em paralelo à entrada de corrente contínua, o enrolamento primário do transformador é disposto entre os respectivos pontos médios e os dispositivos de comutação são ligados e desligados alternadamente. É considerada adequada para fontes de alimentação de capacidade relativamente elevada e, como os computadores modernos tendem a exigir correntes mais altas, também é utilizada como POL para equipamentos de computação.

Método de meia ponte

O método de meia ponte é um método de conversão no qual a entrada de corrente contínua é dividida por 2 capacitores, 2 elementos de chaveamento são conectados em série e ligados em paralelo aos capacitores, e um transformador é instalado entre os pontos médios desses elementos de chaveamento e dos capacitores. É uma topologia de circuito com alta eficiência do transformador e excelente desempenho com alta tensão de entrada.

Entre os métodos mencionados acima, o circuito abaixador (conversor buck), o circuito elevador (conversor boost) e o circuito abaixador-elevador (conversor buck-boost) são do tipo não isolado, enquanto os métodos forward, flyback, push-pull, meia ponte e ponte completa são do tipo isolado. Entre as topologias de circuito de fontes de alimentação chaveadas isoladas, também existem os métodos Royer e Jensen.

Características e aplicações das fontes de alimentação chaveadas de 24 V

Vantagens das fontes de alimentação de 24V e aplicações compatíveis

As fontes de alimentação chaveadas de 24V estão entre as tensões mais utilizadas em equipamentos industriais, instalações de automação fabril (FA), máquinas-ferramenta e outros sistemas. Elas oferecem as seguintes vantagens.

• Segurança: são mais fáceis de manusear do que fontes de alta tensão, e 24V CC também se enquadra em uma faixa de tensão considerada relativamente segura pelas normas.
• Padronização: a ampla disponibilidade de sensores, relés e atuadores compatíveis com 24V facilita o projeto de sistemas.
• Expansibilidade: podem ser facilmente combinadas com outras tensões, como 5V e 12V, e também existem Produtos com 2 saídas de 24V e 5V.

Vantagens das fontes de alimentação chaveadas de 24 V em equipamentos industriais

Os equipamentos industriais exigem um fornecimento estável durante operações contínuas prolongadas e em condições de alta carga. A fonte de alimentação chaveada de 24 V, além de sua alta eficiência, oferece as seguintes vantagens.

• Facilidade no projeto de dissipação de calor: A alta eficiência permite reduzir os custos e o espaço necessários para a dissipação de calor.
• Possibilidade de expansão e conexão em paralelo: Conforme necessário, as unidades podem ser conectadas em paralelo para aumentar a corrente de saída ou permitir projetos com redundância.
• Personalização: É possível escolher entre diversos formatos adequados ao ambiente, como modelos para montagem em placa ou em trilho DIN.

Tecnologias que aumentam a confiabilidade e a segurança

Além do projeto de isolamento e das proteções contra sobretensão e sobrecorrente, as fontes de alimentação chaveadas para equipamentos industriais incorporam tecnologias destinadas a aumentar a confiabilidade e a segurança, como sistemas de refrigeração sem ventoinha com sensores de temperatura e filtros de ruído aprimorados. Recentemente, também há muitos Produtos com PFC (circuito de correção do fator de potência) ou compatíveis com alto fator de potência, sendo importante selecionar equipamentos em conformidade com normas internacionais, como UL e EN.

Como escolher uma fonte de alimentação chaveada de 12 V e quais especificações verificar

Aplicações e critérios de seleção de fontes de alimentação chaveadas de 12 V

As fontes de alimentação chaveadas de 12 V são utilizadas em uma ampla variedade de áreas, como iluminação LED, equipamentos automotivos e equipamentos de comunicação. Os principais critérios de seleção são os seguintes.

1. Potência nominal de saída (W): verificar se é possível fornecer potência suficiente para a carga necessária.
2. Eficiência e geração de calor: escolher um Produtos de alta eficiência, considerando a dissipação de calor em caixas fechadas ou gabinetes compactos.
3. Normas de segurança: verificar as certificações de normas como UL e EN e, quando necessário, confirmar se o produto também está em conformidade com normas médicas e industriais.

Como verificar a tensão de entrada e a corrente de saída

Ao instalar uma fonte de alimentação chaveada, verifique a faixa da tensão de entrada (AC100-240V, por exemplo) e o valor máximo da corrente de carga realmente utilizada.

Por exemplo, para fornecer no máximo 2A com uma fonte de alimentação chaveada de 12V, é necessária uma capacidade nominal de aproximadamente 24W. Além disso, considere a corrente de partida durante a inicialização e os picos de corrente causados por variações de carga, escolhendo uma fonte com margem de segurança adequada.

Compactação, redução de peso e economia de energia proporcionadas por fontes de alimentação chaveadas

Mecanismo de aumento da eficiência por meio da tecnologia de chaveamento

As fontes de alimentação chaveadas minimizam as perdas por meio do chaveamento em alta velocidade dos estados ligado e desligado dos componentes de chaveamento. Isso permite o uso de transformadores menores, possibilitando a compactação e a redução de peso do conjunto. Além disso, quanto mais avançado for o circuito de controle, mais eficiente será a operação, mesmo em modo de espera ou sob carga parcial, contribuindo significativamente para a economia de energia.

Formato compacto e sua demanda

Fontes de alimentação integradas em equipamentos, como computadores e dispositivos médicos, exigem especialmente um formato compacto. É importante escolher um Produtos adequado ao espaço de instalação e ao projeto de dissipação de calor, como modelos para montagem em placa ou adaptadores CA externos. Nos últimos anos, com o aumento de dispositivos compactos que priorizam a portabilidade, tem crescido a demanda pela escolha de fontes de alimentação mais finas e leves, com base na compreensão do funcionamento das fontes de alimentação chaveadas e de "como usar uma fonte de alimentação chaveada".

Benefícios ambientais proporcionados pela economia de energia

A alta eficiência das fontes de alimentação chaveadas também contribui para a redução das emissões de CO₂. Além disso, a redução do tamanho dos dissipadores de calor e dos ventiladores de refrigeração ajuda a diminuir o uso de recursos e a prolongar a vida útil dos Produtos. Essa eficiência energética também é valorizada como parte das iniciativas ambientais das empresas e é extremamente importante para atender aos requisitos das normas internacionais e das leis de eficiência energética.

Problemas de ruído em fontes de alimentação chaveadas e suas soluções

Entenda as causas e os efeitos do ruído

Em fontes de alimentação chaveadas, é comum ocorrer ruído devido à operação de chaveamento em alta velocidade, o que pode causar interferência em circuitos periféricos e equipamentos externos. Entre as principais causas estão as ondas eletromagnéticas de fuga associadas à frequência de chaveamento e as variações bruscas de corrente durante a retificação. Em equipamentos de áudio, o ruído de alta frequência característico de fontes de alimentação chaveadas para áudio também pode afetar negativamente a qualidade sonora, exigindo medidas adequadas de mitigação.

Medidas com capacitores e diodos

As medidas eficazes para reduzir o ruído incluem as seguintes.

• Posicionamento adequado dos capacitores: Instalar capacitores de bypass próximos aos componentes de chaveamento e CIs para atenuar a ondulação e o ruído de alta frequência.
• Seleção de diodos: Utilizar diodos retificadores rápidos ou diodos de barreira Schottky para suprimir o ruído excessivo nos circuitos de fontes de alimentação chaveadas.
• Circuito snubber: Adicionar um circuito para absorver os picos de tensão gerados em transformadores e componentes de chaveamento.

Filtros de ruído e melhorias no projeto de circuitos

Como medidas mais avançadas contra ruídos, é possível projetar adequadamente filtros de ruído e blindagens. Também não é incomum incorporar um filtro de ruído adicional no estágio final do circuito. Além disso, é importante aperfeiçoar o projeto de aterramento de todo o equipamento e o layout da fiação para evitar a formação de loops de terra.

Explicação detalhada dos circuitos e métodos de retificação de fontes de alimentação chaveadas

Funções dos diodos e transformadores em circuitos retificadores

No estágio de entrada das fontes de alimentação chaveadas (conversão da entrada CA para CC), são frequentemente utilizados circuitos retificadores em ponte e circuitos PFC. O transformador desempenha as funções de isolamento e conversão de tensão, enquanto os diodos são usados na retificação de alta frequência e em circuitos de proteção. Especialmente em fontes de alimentação chaveadas CA/CC, as especificações dos enrolamentos do transformador e a seleção dos diodos influenciam significativamente a eficiência e a durabilidade.

Diferenças entre os métodos de controle e suas aplicações adequadas

As fontes de alimentação chaveadas utilizam diversos métodos, como o controle PWM (Pulse Width Modulation), o controle PFM (Pulse Frequency Modulation) e o tipo ressonante (comutação suave), entre outros.

• Controle PWM: um método comum, adequado para uma ampla variedade de aplicações.
• Controle PFM: pode oferecer boa eficiência quando há grandes variações de carga.
• Tipo ressonante: permite obter alta eficiência e reduzir o ruído, mas apresenta maior complexidade de implementação.

É essencial selecionar o método mais adequado conforme a aplicação, o custo e os requisitos de eficiência, entre outros fatores, e projetar o diagrama do circuito da fonte de alimentação chaveada.

Evolução e melhoria da eficiência da tecnologia de conversão AC/DC

Recentemente, também surgiram fontes de alimentação chaveadas que aumentam a frequência de chaveamento e reduzem ainda mais as perdas por meio de semicondutores de última geração fabricados com novos materiais, como SiC (carboneto de silício) e GaN (nitreto de gálio). Com isso, tornou-se possível projetar fontes de alimentação compactas, altamente eficientes e com baixo nível de ruído, e vale a pena acompanhar atentamente os futuros avanços tecnológicos.

Como escolher um fabricante de fontes de alimentação chaveadas e nossas soluções

Características da UNIFIVE

UNIFIVE oferece fontes de alimentação para uma ampla variedade de aplicações, incluindo os setores industrial, de telecomunicações e médico, e apresenta as seguintes características.

1. Sistema de controle de qualidade: conformidade com normas internacionais, como ISO, UL e EN.
2. Experiência e suporte: muitos anos de experiência, soluções personalizadas e semipersonalizadas, além de um serviço pós-venda completo.
3. Ampla linha de Produtos: capacidade de atender a diversas tensões e potências de saída, como 5 V, 12 V, 24 V e 48 V.
4. Vantagens tecnológicas: recursos avançados, como design de baixo ruído, suporte para conexão em paralelo e função de controle remoto.

Proposta da solução ideal fornecida por nossa empresa

Além de fontes de alimentação padrão, selecionamos e propomos a fonte de alimentação chaveada ideal de acordo com os requisitos do cliente. Também oferecemos o suporte abaixo. Entre em contato conosco.

• Suporte na seleção de Produtos: apresentação de uma linha de Produtos adequada aos requisitos da aplicação.
• Personalização técnica: adaptação a tensões especiais, adição de componentes para redução de ruído, entre outros.
• Atendimento a pequenos lotes: soluções semipersonalizadas disponíveis a partir de pequenos lotes.

Resumo

Neste artigo, explicamos diversos pontos úteis para a seleção e o projeto de fontes de alimentação chaveadas, incluindo sua estrutura básica e princípio de funcionamento, as diferenças em relação às fontes lineares, as características de diferentes tensões, como 24 V e 12 V, as medidas contra ruídos e as normas de segurança. As fontes de alimentação chaveadas oferecem grandes vantagens em termos de eficiência, tamanho compacto e economia de energia, sendo indispensáveis nos equipamentos eletrônicos modernos. Por outro lado, como há muitos aspectos técnicos importantes a considerar, como medidas contra ruídos e o projeto de circuitos de proteção, é necessário ter o conhecimento correto e selecionar adequadamente o fabricante e o Produtos.

Nossa empresa, a UNIFIVE, oferece uma ampla variedade de fontes de alimentação chaveadas de alta confiabilidade e atende com flexibilidade a consultas técnicas e solicitações de personalização. Caso tenha alguma dúvida sobre a seleção ou implementação, entre em Contacte-nos conosco pelo botão abaixo.

Aceitamos solicitações de diversos tipos de amostras a qualquer momento. Esperamos que também considere essa possibilidade.

Linha de Produtos de fontes de alimentação chaveadas padrão de 100 W ou mais

Linha de Produtos de fontes de alimentação chaveadas padrão de 6 W a 90 W

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