Fontes de alimentação chaveadas — Princípios gerais, vantagens e desvantagens

Hoje já é difícil encontrar um transformador de ferro em qualquer eletrodoméstico ou fonte de alimentação. Na década de 1990, eles começaram a desaparecer rapidamente no passado, dando lugar a comutação de conversores ou comutação de fontes de alimentação (abreviado como SMPS).

As fontes de alimentação comutadas superam os transformadores em termos de tamanho, qualidade da tensão CC resultante, possuem amplas opções para regular a tensão e a corrente de saída e são tradicionalmente equipadas com proteção contra sobrecarga de saída. E embora se acredite que as fontes de alimentação comutadas sejam os principais provedores de interferência na rede doméstica, seu uso generalizado não pode ser revertido.

Fornecimento do transformador:

Corrente de comutação:

As fontes de alimentação comutadas devem sua onipresença aos comutadores de semicondutores— transistores de efeito de campo e Diodo Schottky… É o transistor de efeito de campo, trabalhando em conjunto com um indutor ou transformador, que é o coração de toda fonte de alimentação chaveada moderna: em inversores, máquinas de solda, fontes de alimentação ininterruptas, fontes de alimentação embutidas para TVs, monitores, etc. — hoje em dia, apenas os circuitos de conversão de pulso são usados ​​em quase toda tensão.

O princípio geral de operação de um conversor de pulso é baseado na lei da indução eletromagnética e é semelhante neste com cada transformador… A única diferença é que uma tensão alternada com frequência de rede de 50 Hz é aplicada diretamente ao enrolamento primário de um transformador de rede convencional e convertida diretamente (então, se necessário, retificada) e em uma fonte de alimentação chaveada, a tensão de rede é primeiro retificado e convertido em DC e depois convertido em um pulso para ser aumentado ou diminuído ainda mais usando um circuito especial de alta frequência (em comparação com a rede elétrica de 50 hertz).

Um circuito de fonte de alimentação chaveada inclui vários componentes principais: um retificador de rede, um interruptor (ou interruptores), um transformador (ou indutor), um retificador de saída, uma unidade de controle e uma unidade de estabilização e proteção. O retificador, chave e transformador (choke) formam a base da parte de potência do circuito SMPS, enquanto os blocos eletrônicos (incluindo o controlador PWM) pertencem ao chamado driver.

Assim, a tensão da rede é alimentada através do retificador ao capacitor do filtro da rede, onde assim se obtém uma tensão constante, cujo máximo é de 305 a 340 volts, dependendo do valor médio atual da tensão da rede ( de 215 a 240 volts).

A tensão retificada é aplicada ao enrolamento primário do transformador (choke) na forma de pulsos, cuja frequência de repetição é geralmente determinada pelo circuito de controle da chave e cuja duração é determinada pela corrente média da carga fornecida .

Um interruptor com uma frequência de várias dezenas a várias centenas de kilohertz conecta e desconecta o enrolamento primário do transformador ou indutor do capacitor do filtro, invertendo assim a magnetização do transformador ou núcleo do indutor.

A diferença entre um transformador e uma bobina: em uma bobina, as fases de armazenamento de energia da fonte para o núcleo e transferência de energia do núcleo através do enrolamento para a carga são separadas no tempo, enquanto em um transformador isso acontece simultaneamente.

A bobina é utilizada em conversores sem isolação galvânica de topologias: boost - boost, step - down, bem como em conversores com isolação galvânica de topologia reversa. O transformador é utilizado em conversores com isolação galvânica nas seguintes topologias: ponte-ponte-cheia, meia-ponte-meia-ponte, push-pull-push-pull, forward-forward.

A chave pode ser única (conversor buck-up, conversor forward, boost ou conversor buck sem isolação galvânica) ou a seção de potência pode incluir várias chaves (meia-ponte, ponte, push).

O circuito de controle da(s) chave(s) recebe da saída da fonte um sinal de realimentação para tensão ou para tensão e corrente da carga, de acordo com o valor deste sinal, a largura (ciclo de trabalho) do pulso, que controla a duração do estado condutivo do interruptor é ajustado automaticamente.

A saída é organizada da seguinte maneira. Do enrolamento secundário do transformador ou indutor, ou do enrolamento único do indutor (se estivermos falando de um conversor sem isolamento galvânico), através dos diodos Schottky de um retificador de onda completa, uma tensão pulsada é fornecida ao filtro capacitor.

Há também um divisor de tensão do qual o sinal de feedback de tensão é recebido e um sensor de corrente também pode estar presente. A carga é conectada ao capacitor do filtro por meio de um filtro passa-baixa de saída adicional ou diretamente.