Ao iniciarmos algum projeto eletrônico, seja ele qual for, um tópico a ser pensado é a alimentação dos componentes, qual será a tensão que devemos fornecer baseado nos componentes que iremos utilizar e às vezes até mais de uma tensão para alimentar parte do circuito.
Por exemplo, temos circuitos integrados onde a tensão de alimentação ideal será 3,3V como os processadores mais modernos, alguns circuitos integrados precisam de 5V e alguns ainda precisam de alimentação simétrica, como amplificadores operacionais que necessitam de tensões positivas e negativas de 12V (+12V e -12V) e uma referência em 0V.
Uma prática comum é adquirir uma fonte de alimentação já com a tensão necessária para o circuito, mas algumas vezes pode não ser possível, seja por custo ou outra necessidade como o uso de diferentes componentes em um mesmo circuito.
Nesse caso poderemos incluir no circuito final, reguladores para obtermos as tensões necessárias para o correto funcionamento do nosso projeto.
Temos dois grandes grupos de conversores: os abaixadores e elevadores de tensão.
Os reguladores abaixadores mais comuns podem ser do tipo linear ou chaveado, que será a forma como trabalham e sua eficiência.
Já os elevadores necessitam ser chaveados e utilizar algum tipo de indutância ou capacitância para conseguir um valor mais alto de tensão na saída proveniente de algum acúmulo de energia.
Os conversores abaixadores de tensão irão fornecer uma tensão de saída mais baixa que a tensão de entrada, esse tipo de regulador é útil quando se deseja utilizar mais de uma alimentação no circuito, portanto ter uma entrada com tensão alta ou ainda quando se deseja eliminar ripples provenientes de transformadores fazendo um clipping na tensão.
São os conversores mais simples, podendo ser construídos com um divisor de tensão com dois resistores, porém tem as desvantagens de carregarem as variações da tensão da alimentação principal e serem dependentes do valor da resistência da carga, que com qualquer variação irá alterar o valor da tensão.
Para resolvermos esse problema, temos que introduzir no circuito um diodo do tipo Zener, esse tipo de diodo quando polarizado diretamente irá conduzir a corrente, porém quando polarizado inversamente, não irá conduzir a corrente, tal como o diodo comum, porém a tensão de ruptura inversa (ou breakdown voltage) é fixa e em um valor que podemos utilizar.
Essa tensão de ruptura é fixa para cada modelo de diodo zener, por exemplo se pegarmos um diodo zener 1N746 teremos que sua tensão será de 3,3V um diodo 1N751 terá uma tensão de 5,1V, tensões comuns de alimentação para componentes eletrônicos.
Como a resistência do diodo quando conduz é extremamente baixa, é obrigatório utilizarmos um resistor para limitar a corrente, esse resistor deve conseguir fornecer a corrente para o diodo e para a carga.
Para cargas com uma variação de corrente podemos adicionar um transistor no circuito para melhor controlar a corrente e aumentar a potência do circuito, visto que não será mais limitada pelo resistor. Uma desvantagem é que o transistor introduzirá uma queda de tensão no diodo referente à tensão da junção entre a base e o emissor (aproximadamente 0,7V), devendo o diodo compensar essa queda.
Outra forma de regularmos a tensão linearmente é utilizarmos circuitos integrados próprios para esse fim como os reguladores das séries 78xx e 79xx (onde xx será a tensão de saída, por exemplo 7805 com tensão de saída de 5V).
São circuitos integrados de apenas três terminais, apresentados nos mais variados encapsulamentos como TO-220, TO-3 além de encapsulamentos SMD como D-PAK.
Podem fornecer correntes de até 1A diretamente sem necessidade de componentes externos (porém alguns capacitores são recomendados a serem instalados conforme datasheet) e possuem proteções internas contra sobrecorrentes e sobretemperatura.
Mas os reguladores lineares têm a desvantagem de possuírem baixa eficiência devido à dissipação de calor por efeito Joule, devendo ser instalados dissipadores de calor quando necessário. Eficiência essa que irá depender da diferença de tensão entre a entrada e a saída, quanto maior a diferença, maior será a potência dissipada pelo regulador e portanto menor será a sua eficiência.
A potência dissipada no regulador linear será dada pela seguinte fórmula:
P = ( Vin – Vout ) / I
Onde:
P = Potência dissipada pelo regulador
Vin = Tensão de entrada
Vout = Tensão de saída
I = Corrente no regulador
Assim podemos ver que a potência que o regulador precisa suportar aumenta com a corrente e com a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída.
Para resolver o problema de potência dissipada pelos reguladores, foram desenvolvidos os reguladores chaveados, onde por meio de um controle pode-se ajustar a tensão de saída sem a necessidade de dissipar potência por efeito Joule.
Os conversores abaixadores chaveados, também chamados de conversores “Buck” ou “Step-Down”, funcionam ligando e desligando a tensão de entrada em uma alta frequência portadora e controlando a tensão através de uma modulação, fazendo a tensão média na carga ser menor que a entrada e ainda podendo aumentar a corrente de saída.
O indutor trabalha de duas formas: quando a chave está fechada, irá limitar a corrente na carga baixando sua tensão e armazenando energia em forma de campo magnético, quando a chave estiver aberta ele irá dissipar a energia armazenada em forma de corrente fazendo um circuito fechado com a carga e o diodo.
Obviamente na prática essa chave será um dispositivo de estado sólido de alta velocidade como transistores tipo MOSFET, ou bipolares em alguns casos.
Os conversores tipo buck podem atingir uma eficiência de até 90%, passando desse valor em alguns casos se bem projetado e têm a vantagem de conseguir trabalhar com uma diferença de tensão entre a entrada e a saída maior que os reguladores lineares.
Por trabalhar chaveando uma carga em alta frequência, os conversores podem introduzir perturbações em outros dispositivos e gerar ruídos na linha de alimentação.
O efeito do campo magnético chaveado se mostrou eficiente para abaixar a tensão, porém viu-se que essa energia acumulada sob a forma de campo magnético poderia ser utilizada para elevar a tensão, modificando um pouco a configuração do circuito
Os conversores elevadores de tensão tendem a ser chaveados devido à necessidade de utilizar propriedades eletromagnéticas para elevar a tensão. Podem ser chamados de conversores tipo Booster ou Step-Up.
Utilizam os mesmos componentes dos conversores tipo buck, porém a forma como trabalham são diferentes.
A chave quando fechada, forma um circuito com a fonte de tensão e o indutor, fazendo que a corrente seja elevada devido à sua baixa impedância, essa corrente irá induzir um campo magnético no indutor, que será a forma onde o circuito armazenará energia.
Quando a chave for aberta o circuito formado com a carga será o único caminho para o indutor dissipar a energia acumulada em seu campo magnético que dessa forma será maior que a entrada pois assim teremos a energia do indutor sendo descarregada junto à fonte.
O diodo impede o retorno da corrente da carga pela chave quando esta está fechada, mantendo a sua tensão.
Assim como os conversores buck, os conversores tipo boost tem a característica de possuírem alta eficiência, porém também podem induzir ruídos nas linhas de alimentação devido à frequência de chaveamento e a presença de campos magnéticos do indutor.
Além do conversor tipo booster temos também as bombas de carga, ou charge pumps, onde capacitores são carregados paralelamente com a tensão nominal do circuito e na descarga são ligados em série, dobrando a tensão da alimentação, esse tipo de circuito é muito utilizado em circuitos de saída de comunicação como o circuito integrado MAX-232, que utiliza capacitores para converter a alimentação 5V em 12V necessário para a comunicação. Esses circuitos também são chamados de multiplicadores de tensão.
Nos dias de hoje, a eficiência dos componentes tem se tornado uma questão importante para reduzir o consumo dos aparelhos.
Assim, uma fonte de alimentação deve ter o máximo de eficiência possível já que representa a entrada de energia para o circuito. Para conseguirmos isso temos circuitos que utilizam o mínimo de esforço para entregar o máximo de potência às cargas.
A escolha do modelo de conversor e sua tecnologia irá depender de fatores como simplicidade, custo e necessidade, seja ela para alimentar todo um circuito ou apenas parte dele.
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