quinta-feira, 27 de dezembro de 2012

Fontes de Alimentação sem Transformador

FAST é uma palavra inglesa bastante conhecida e usada em qualquer texto literário inglês, principalmente o técnico. Empregada como adjetivo, ela significa: seguro, estável, durável, e como advérbio: rápido, velozmente. Entretanto, aqui, não se trata de uma palavra do vocabulário inglês, e sim uma abreviatura do que poderíamos chamar de "FONTES DE ALIMENTAÇÃO SEM TRANSFORMA­DOR", o que traduzindo para uma adequação à tecnologia "ianque". levaria a sigla de PSWT [Power Supply Without Transformer) - completamen­te diferente de FAST. Como a abreviatura soou bem, resolvemos batizar assim as referidas fontes e também porque, se estas fontes não possuem transformador, elas só poderiam estar associadas a tecnologia dos semicondutores. E quando se faz referências a semicondutores, logo vem uma associação à mente: seguro, estável, durável como também rápido ...

O assunto que estamos propondo desenvolver parece, ainda, uma ousadia para os tempos atuais (em se tratando da realidade brasileira, claro), porque é bastante difícil associar a idéia de se ter uma fonte de alimentação - mas sem dela fazer parte o transformador de tensão. Tido justamente,como a parte mais importante, ou a que requer maiores cuidados nos projetos. 

Para o "vovô Engenheiro" ou o "vovô Técnico", aquele sujeito que nasceu junto com a válvula eletrônica e que dela era um fã ardoroso - mas que viu entrar a geração dos transistores de germânio, depois os de silício. Que começava a se acostumar com a idéia de substituição de um ídolo por outro porém, logo vieram os LSI, os FET os MOS-FET e agora os MOS-FET-V e toda esta vasta gama de tecnologia em semicondutores que se vê por ai - tudo vindo de sopetão, sem um "delta T" para se respirar. Este é um sujeito conformado! - e hoje ele acha que em eletrônica tudo é possível. ou nada mais é possível. Para ele,só resta a saudade dos tempos em que contava os pinos das válvulas para a identificação, e se orgulhava em saber de cor, quais eram os da placa, da grade, anodo ... das válvulas mais populares. Hoje os pinos do CI são tantos que é impossível contar, quanto mais saber a identificação - não tem mais graça! 

Mas para os da "geração do estado sólido", aquele que já nasceu todo integrado. Este é um sujeito sagaz, ávido por novas descobertas. Vibra com tudo que é novidade, com as pesquisas que são feitas, as já concluídas ou as perspectivas de novos rumos. Ele lê tudo o que há de literatura técnica em eletrônica, quer estar por dentro de tudo e acaba ficando por fora. Em sua cabeça, giram mil informações, tantas quanto forem possíveis - tudo inútil - acaba convivendo com nada e nada lhe é familiar! Não sou suspeito, pertenço a esta geração. 

Adianto portanto, e principalmente para aqueles sujeitos a que me referi acima (meus colegas) que o tema FAST, a ser abordado, é um assunto inédito dentro da eletrônica, é claro, até um certo ponto e em determinados aspectos. Ainda não encontrei referências sérias sobre o assunto em qualquer espécie de literatura técnica eletrônica. Seja em livros ou revistas, nacionais ou estrangeiros. Posso estar enganado, mas tudo o que citaremos aqui foi fruto de pesquisa própria, e portanto, não poderei de maneira alguma citar ao final do artigo, bibliografia, como ponto de referência. A aqueles que só confiam no artigo, se este for tradução, ou então, trouxer na última linha, a relação dos livros estrangeiros dos quais foi extraído, aconselho a não perder tempo e deixar de ler o artigo aqui mesmo. (desculpem-em a franquesa!). 

As FASTs - INTRODUÇÃO: 

O transformador é tão velho que pode-se afirmar que ele nasceu até mesmo antes da eletrônica, como ciência propriamente dita. Não diria o transformador, como é concebido hoje. Mas sim o princípio da indução magnética, auto indução e outras teorias dentro do eletromagnetismo, pesquisadas quase que contemporaneamente por homens como Ampère, Lenz, Faraday, Maxwell e outros mais, que não caberia citar. E se a eletrônica existe hoje como ciência organizada que é, foi devido ao espírito incansável destes pesquisadores. 

Portanto, quando se fala em fontes de alimentação de corrente continua, a primeira coisa que a ela associamos é a imagem do "velho transformador", com seu jeitão quase imutável, durante todos estes anos que tem servido fielmente a eletrônica. E venho eu falar justamente de FASTs de corrente contínua !? 

Atualmente, com o aperfeiçoamento de alguns componentes eletrônicos (os nada conhecidos, resistores e capacitores). seja quanto à redução do tamanho, quanto a capacidade de dissipação de calor e outras inovações. E principalmente com a rápida evolução dos semi-condutores, com o aparecimento de transistores de alta-tensão aliada à alta potência, pode-se perfeitamente falar das FASTs, inclusive sem o risco, o que é muito importante, de afirmar que se está descobrindo a "pólvora". 

Como disse um "Confúcio" da vida moderna: " ...Atualmente, já não existem os "Leonardos da Vincis", o que há, são pesquisas feitas em dinâmicas de grupo, com a frequente associação de idéias, teóricas e teoremas já enunciados .." 

E realmente vocês verão, que no assunto a ser exposto aqui, não há nada de novo. É apenas a combinação de um punhado de idéias simples, passadas e repassadas em qualquer compêndio eletrônico. 

Se vocês pararem para pensar - percebam ­ houve evolução em tudo o que é componente eletrônico - o transformador entretanto, continua o mesmo, com aquele molde característico há décadas. E vai continuar assim ainda por muitos anos, quem sabe indefinidamente. O transformador é a encarnação da própria eletricidade, ou vice-versa. Não é um palpite arriscado meu, mas se ele desaparecer da eletrônica, é porque esta faliu. É muito fácil e tranquilo afirmar isto, como já disse algumas linhas atrás, a ciência eletrônica está totalmente estruturada em cima das teorias do eletromagnetismo, da eletrostática e dinâmica. 

É bem verdade, que eles já desapareceram de uma porção de circuitos eletrônicos. Não seria nem preciso citar: mas eles não existem mais nos circuitos de amplificadores de áudio (estamos falando dos modernos). Em algumas partes dos circuitos de televisores, nos receptores de rádio (já não se usam mais os transformadores de F.I. e sim os filtros cerâmicos) e dai por diante. Mesmo nas modernas FACs (Fontes de Alimentação Comutadas), eles existem, mas não desempenham o papel principal. 

E futuramente pode ser, quem sabe! - que eles desapareçam também das fontes de alimentação. Mas em alguns circuitos, ele é insubstituível, senão tecnicamente, pelo menos economicamente. E se sairmos do campo da eletrônica e entrarmos no da eletricidade, aí então, não há condições de se afirmar nada. 

O próprio transformador pode ainda evoluir muito. As suas desvantagens em relação a outros circuitos eletrônicos, que os substitui, não são por deficiências técnicas (muitas vezes), e sim porque são grandes, desajeitados, ocupam muito lugar nos cada vez mais reduzidos circuitos impressos, a também, numa comparação de custos de produção, saem caros. Mas amanhã, sabe-se lá, podem inventar novos tipos de material para a confecção dos mesmos, núcleos .de ferrite de altíssima densidade, capaz de diminuir a relutância magnética e níveis baixíssimos e consequentemente, elevar bastante o fluxo magnético para pequenas forças magnetomotrizes aplicadas. E com isto, construir-se micro transformadores. Se isto acontecer, aí então, uma série de circuitos eletrônicos serão novamente revistos e remodelados em função da nova tecnologia. 

Isto tudo que acabei de afirmar, é pura ficção científica, mesmo porque eu nada sei do que as grandes firmas internacionais andam pesquisando a respeito. Mas exemplos típicos de como determinados ramos da ciência avançam e retrocedem em prol de novas descobertas, de novas tecnologias, estão aí. 

Quem não se lembra do acontecimento, envolvendo o super secreto MIG-21, o caça supersônico russo mais veloz e eficiente do mundo. Capaz de desvencilhar-se de qualquer sistema de perseguição anti-aérea. 

Levado para o Japão pelo piloto dissidente soviético. Depois de desmontado e tendo todos os seus circuitos eletrônicos minuciosamente estudados pelos japoneses, finalmente, eles revelaram alguns detalhes para o mundo ocidental. Sabe-se por exemplo que a tecnologia dos circuitos era totalmente baseada em mini válvulas e alto vácuo com filamentos frios (se não é exatamente isto que afirmei, é algo parecido, porque realmente, os nipônicos não fizeram muita questão de revelar os segredos técnicos do avião, é claro!). 

Enquanto os americanos chegaram à Lua com seus circuitos a semi-condutores: os Operacionais, os TTL, MOS, C-MOS, à base de LSI que agora estamos começando a conhecer; por outro lado, os russos desenvolveram uma tecnologia altamente avançada para as válvulas, que permitiu construir o caça supersônico mais aperfeiçoado do mundo. E então!? 

REDUTORES DE TENSÃO REGULADOS A ZENER 

Ainda dentro do assunto FAST abordado, resol­vemos incluir este item, embora não fazendo parte praticamente do tema, também não se desvia completamente dele, e além do mais, por ser de grande utilidade na prática. Mesmo porque, no protótipo FAST one PHISIQ (o protótipo de uma fonte de corrente continua de múltiplos recursos) que os leitores terão oportunidade de conhecê-lo, pois certamente irão montá-lo a partir de todas as informações de praxe que daremos futuramente, desde placa de circuito impresso até material utilizado e instruções de montagem. Como íamos dizendo, o circuito da FAST one PHISIQ utiliza um destes redutores.

Então, vamos lá: 

Muitas vezes o experimentador, ou o técnico se debate com um problema simples de solucionar. Qual seja, o de reduzir tensões continuas dentro da mesma fonte de alimentação. Suponha que se tenha uma tensão contínua de 20V que alimenta um amplificador de áudio e deseja-se aproveitar a mesma fonte para alimentar um sintonizador de 9v. O aficcionado que encontra tal problema pela frente, muitas vezes não o soluciona adequadamente, então, utiliza um recurso mais simples - constrói uma fonte separada de 9v, utilizando outro transformador, quando talvez nada disse fosse necessário. 

O esquema básico de um redutor de tensão regulado a zener é o da figura 1. Vi é a tensão de entrada e Vo a de saída e igual a tensão sobre o diodo zener. R é a resistência limitadora de corrente.

Fig.1 - Redutor básico de tensão empregando diodos zeners

Para se calcular os elementos do redutor, é necessário saber qual a corrente máxima (ILmax) que o dispositivo a ser ligado ao redutor deve consumir. 

O valor de R é dado então pela seguinte expressão: 

(Vi - Vo) / I = R (1) 

Temos ainda, acompanhando pelo esquema da figura 1 que: 

I = ILmax + Iz (man) (2) onde, Iz (man) é a corrente zener de manutenção. 

Ocorre que o valor de IL (corrente de carga) flutua entre um valor máximo e um valor mínimo que pode ser zero (carga desligada). Quando o valor de IL for nulo, surgem problemas. A corrente que antes passava pela carga, agora vai fluir totalmente através do diodo zener. Por isso, este elemento deve ser escolhido rigorosamente, prevendo-se esta possibilidade. Como o máximo valor de corrente através do zener é I, que poderíamos chamá-Ia de Izmax, para se calcular o valor de Izmax, sabendo-se o valor da tensão sobre o zener (Vz) ele sai facilmente da seguinte equação: 

Pzmax = Vz . Izmax (3), onde Pzmax é a potência máxima que o zener pode dissipar. 

Notem que é necessário em qualquer projeto deste tipo, saber antes de tudo, qual o valor da corrente de carga máxima ILmax, para se ter uma idéia do valor de Izmax = I. E sempre necessário manter uma corrente através do zener para que ele (zener] mantenha a tensão fixa em seus terminais. Esta corrente é geralmente fornecida nos manuais dos fabricantes com o nome de corrente zener (lz). Explicando melhor o que ele significa, é o seguinte: para que o diodo zener mantenha a voltagem Vz é preciso que a corrente Iz o atravesse. Olhando para o gráfico da figura 2, tomando-se o exemplo do C5V6 (isso é, Vz = 5,6 V), a corrente Iz (man) deve­rá ser de aproximadamente 5 mA, conforme indicado no gráfico.
Fig.2 - Gráfico das características dinâmicas dos diodos Vz - f (Hz)

Para quem não tem acesso a tais manuais, daremos a seguir uma tabela dos valores de Iz (man) em função da potência máxima que os diodos podem suportar. Notem que nesta tabela (tabela 1) os valores de Iz(man) são uma média dos Iz (man) de cada diodo. Não "caberia" fornecer o Iz(man) de cada diodo. Portanto, pode ser, por exemplo, que para a C24V (400 mW) com uma Iz(man) de 8mA ele não mantenha uma Vz de 24 V e sim 24,5 V. É o risco que se corre.

Valores de Iz (rnan) em função de Vz (tensão zener) e 
Pz max (potência máxima que o zener suporta).

Com mais uma equação, ficamos aptos a calcu­lar os elementos do redutor. O valor da potência máxima dissipada por R é dada por:

PRmax = R . I² (4) 

Por enquanto, está tudo um pouco confuso (concordo!). Para elucidar melhor a aplicação das quatro equações apresentadas, tomemos como exem­plo de projeto, o problema exposto inicialmente. 

Reduzir uma tensão de 20 para 9 V, supondo que o sintonizador (carga), consuma uma corrente máxima (lLmax) de 20 mA. Portanto os dados do problema são: 

Vi = 20 V

Vo = Vz = 9v

Ilmax = 20mA 

Da equação 2, supondo I = ILmax (desprezando por enquanto o valor de Iz (man), temos através da eq.3: 

Pzmax = 9 . 0,02 = 0,18w 

Com este valor de Pzmax, procurando na tabela 1, encontramos o valor de Iz(man) = 8mA. Então pela (2) temos que I = 28 mA. E agora sim temos condições de saber qual a verdadeira potência máxima que o zener irá dissipar. Novamente na (3): 

Pzmax = 9.0,028 = 9,25w 

Portanto, o zener de 400mW tem realmente condições de suportar. Se por acaso a Pzmax ultrapassasse o valor de 400mW do zener escolhido, é claro, você escolheria outro mais potente, o de 1W, por exemplo. Reconsideraria a Iz (man) do novo zener e recalcularia o problema, até ajustar com compatibilidade a potência máxima dissipada pelo diodo. Entendido? 

Então prosseguindo: 

Pela (1) temos: 

R = (20 - 9) / (0.028) = 393 ohms 

e pela (4): 

Prmax = 393 . (0,028)² = 0,3w 

E sem embaraço nenhum, temos todos os valo­res dos componentes do redutor. O esquema da figura 3 é uma versão prática do exemplo acima: usou-se dois zeners Z1 e Z2 C9V (400 mW) por motivos de segurança. A dissipação de potência dos zeners deve ser na prática, sempre bem supe­rior à calculada teoricamente. O valor de R é de 390 ohms (1/2 W). O capacitor C em paralelo, serve para melhorar o fator de ondulação (ripple) do redutor, caso a fonte não tenha uma ótima filtragem, o que acontece em alguns tipos de amplificadores de potência de áudio. Ele não precisa ter um valor fixo, exato, calculado por um punhado de equações. Como já disse, basta se saber mais ou menos a ondulação da fonte e "chutar" seu valor (com algum critério, é claro). Aqui, no exemplo, seu valor é de 470 uF x 12v.

Figura 3: Versão prática do redutor de 20 para 9V 

(valores dos componentes, leia texto).

Às vezes, os redutores não são exequíveis na prática, principalmente quando a corrente de carga (lL) tiver um valor bastante elevado. Aí então, será preciso utilizar outro recurso, um transistor como elo de ligação. O exemplo abaixo vai explanar melhor quando ocorrem tais situações. 

Reduzir 40 V para 5 V, sendo que ILmax = 0,3 A. 

Supondo que Iz(man) = 0,015 A. então pela (1): 

(40 - 5) / (0,315) = R = 111 ohms 

Logo, a potência dissipada pelo resistor sai pela (4): 

PRmax = (0,315)³ . 111 = 11w? 

Valor alto demais de dissipação de potência para·um resistor. Até aqui, tudo em ordem, pode-se perfeitamente utilizar um resistor de fio de 120ohms / 20w, existem no mercado. Mas vejamos a potência que o zener irá dissipar. É dado por (3): 

Pzmax = 9 . (0,315) = 2,8 w 

O zener teria que ser de encomenda especial. Ou usar-se três ou.quatro de 1w em paralelo. Mas aí, teríamos também, que aumentar para três ou quatro vezes o valor de lz(man) e recalcular as potências dissipadas, que naturalmente irão aumentar ainda mais. Por isso, a solução é utilizar o transistor como elo de ligação. O esquema básico de tais circuitos é mostrado na figura 4.

Figura 4: Esquema básico de um redutor a zener para altos valores de IL, 
utilizando um transistor como elemento de ligação.

Não é preciso se assustar!, com apenas mais uma equação resolve-se o problema. 

ILmax / B = Ib (5) 

Onde B (hfe), é o ganho de corrente contínua do transistor. 

Agora na equação (2) I = Iz [man) + lb 

Vejamos como fica o problema na prática. 

Supondo que o B do transistor seja igual a 100, temos: 

(5) 0,3 / 100 = 0,003 

Está claro que o zener a ser utilizado é uma unidade de 400 mW (como na maioria destes casos). Consultando a tabela 1, achamos o valor de Iz(man) = 8mA para o C5V. Logo, pela (2): 

I = 0,003 + 0,008 = 0,011A 

E o valor de R sai pela (1): 

R = (40 - 5) / (0,011) = 3181ohms 

Basta ir a um manual e procurar um transistor adequado. Mas é preciso escolhê-Io com critério, saber das limitações impostas nos manuais (Icmax, Vceo, Pmax, hfe) e se possível consultar as curvas do mesmo, nos manuais, principalmente a Ic x Vce, traçando-se nela, a "soar" (safe operating area) para DC, e saber se realmente o transistor está operando em uma região segura, inclusive, prevendo-se curto na saída. 

O esquema prático do exemplo acima, é mostrado na figura 5.

Sobre redutores a zener, nada mais tenho a declarar! 

Figura 5: Versão prática do redutor a zener, utilizando transistor.

Lista de material da fig.4: 

R1 - 3,3 K - 1/2w 

C 1 - 100 uF x 10v (eletrolítico) 

Z1 - Zener BZX 79 C5V1 (400 mw) ou equivalente. 

T1 - EM 6123, BD 237 (ou equivalente) 

Obs: O transistor precisará usar pequeno dissipador de calor de alumínio.

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