Conversores AC/DC

Circuits frequentemente requerem uma fonte de alimentação AC integrada como a estratégia ideal para reduzir tamanho, custo ou devido a necessidades específicas da aplicação. Compreender os conceitos-chave associados à conversão e as alternativas práticas disponíveis é um bom começo para um projeto bem sucedido.

Segurança Primeiro!
Quando a fonte CA é uma tomada elétrica, deve-se ter muito cuidado para garantir que uma implementação seja segura de se usar. Sem exceção, este subsistema deve ser projetado e implementado por um especialista qualificado. Se possível, utilize um pacote de fichas pré-aprovado.

A conformidade é obrigatória!
Quando ligar algo a uma tomada de rede eléctrica, deve cumprir as normas legais de certificação no país em que será utilizado. Mais do que isto, deve ter sido testado e certificado para o fazer – um processo dispendioso. Isto é para garantir que é seguro, não interfere com outras pessoas ou contribui com ruído para as linhas principais de energia CA.

O que é um conversor CA/CC?
A energia eléctrica é transportada em fios quer como uma corrente contínua (CC) fluindo numa direcção a uma tensão constante não oscilante, quer como uma corrente alternada (CA) fluindo para trás e para a frente devido a uma tensão oscilante. A CA é o método dominante de transporte de energia porque oferece várias vantagens sobre a CC, incluindo custos de distribuição mais baixos e uma forma simples de conversão entre níveis de tensão, graças à invenção do transformador. A energia CA que é enviada em alta tensão em longas distâncias e depois convertida para uma tensão mais baixa é uma fonte de energia mais eficiente e segura nas casas. Dependendo do local, a alta tensão pode variar de 4kV (quilo-volts) até 765kV. Como lembrete, a corrente alternada em casas varia de 110V a 250V, dependendo de qual parte do mundo você a vive. Nos EUA, a linha principal típica de CA é 120V.

Conversores conduzem uma corrente alternada, uma vez que a sua tensão também alterna, em elementos de impedância reactivos, tais como indutores (L) e condensadores (C), onde é armazenada e integrada. Este processo separa a potência associada com os potenciais positivos e negativos. Os filtros são utilizados para suavizar a energia armazenada, resultando na criação de uma fonte DC para outros circuitos. Este circuito pode assumir muitas formas mas é sempre composto pelos mesmos elementos essenciais, podendo ter uma ou mais fases de conversão. O conversor representado na figura 1 é chamado de ‘conversor avançado’, que é uma eficiência maior do que uma arquitetura um pouco mais simples; um ‘conversor de retorno de vôo’. Embora não seja discutido em detalhes, um conversor de retorno difere de um conversor de avanço na medida em que o seu funcionamento depende da energia armazenada na airgap do transformador no circuito. Além desta diferença, eles podem utilizar os mesmos blocos essenciais.

Figure 1: Diagrama de Blocos Funcionais de um Conversor Avançado de Alimentação AC/DC

Bloco Filtrante de Entrada
Um filtro de entrada é importante, pois impede que o ruído produzido nos elementos de comutação da fonte de alimentação volte para a fonte de alimentação. Ele também impede que o ruído que possa estar na fonte de alimentação entre nos circuitos subsequentes. O filtro passa pela frequência da rede 50/60Hz e atenua os ruídos de frequência mais elevada e os harmónicos que possam estar presentes. Tal como em outras partes de um conversor AC para DC, elementos reactivos como condensadores e indutores desempenham o importante papel da frequência – a supressão selectiva. Os condensadores não passam em DC, e podem ser utilizados em série (como elementos de ‘filtro de alta passagem’ de bloqueio DC), ou em paralelo (para desviar altas frequências para a terra impedindo-os de passar para o conversor).

O bloco de filtragem de entrada também incluirá tipicamente uma resistência dependente da tensão, ou varistor para evitar que picos de alta tensão na rede eléctrica danifiquem a alimentação eléctrica. Esta é a caixa retangular com a linha diagonal através dela na entrada da Figura 1. O tipo mais comum de varistor é um varistor de óxido metálico (MOV). Qualquer tensão sobre os dispositivos ‘clamping voltage’ faz com que o MOV se torne condutivo, desviando o pico de alta tensão e suprimindo o pico.

Rectificação
Os conversores AC/DC mais simples são compostos por um transformador que segue a filtragem de entrada, que então passa para um retificador para produzir DC. Neste caso, a retificação ocorre após o transformador porque os transformadores não passam em DC. Contudo, muitos conversores AC/DC utilizam topologias de conversão mais sofisticadas e multi-estágios, como ilustrado na figura 1, devido às vantagens de requisitos de transformadores mais pequenos e menor ruído referido de volta à fonte de alimentação.

Rectificadores são implementados utilizando dispositivos semicondutores que conduzem a corrente condicionalmente em apenas uma direcção, como os díodos. Os retificadores semicondutores mais sofisticados incluem tiristores. Retificadores controlados por silício (SCR) e triodo para corrente alternada (TRIAC) são análogos a um relé em que uma pequena quantidade de tensão pode controlar o fluxo de uma tensão e corrente maiores. A forma como estes funcionam é que eles só conduzem quando uma ‘porta’ de controle é acionada por um sinal de entrada. Ligando ou desligando o dispositivo no momento certo, conforme a forma de onda AC flui – a corrente é direcionada para criar uma separação DC. Há muitos circuitos para fazer isso, com sinais tocados na forma de onda AC usados como sinais de controle que definem que os tiristores dos quadrantes de fase estão ligados ou desligados. Isto é comutação, e pode ser natural (no caso de um diodo simples) ou forçado, como no caso de dispositivos mais sofisticados.

As fontes de alimentação de alta eficiência podem usar dispositivos ativos como MOSFETs como comutadores em tais circuitos. A razão para usar topologias mais complexas é normalmente para melhorar a eficiência, para diminuir o ruído ou para agir como um controle de potência. Os díodos têm uma queda de tensão intrínseca através deles quando conduzem. Isto faz com que a energia seja dissipada neles, mas outros elementos ativos podem ter uma queda muito menor e, portanto, uma menor perda de energia. Os circuitos SCR e TRIAC são particularmente comuns em circuitos de controle de potência de baixo custo, como o exemplo do regulador de luminosidade abaixo – usado para dirigir e controlar diretamente a corrente fornecida à carga à medida que a rede de entrada se alterna. Note que estas implementações não são galvânicas quando não têm um transformador no circuito – apenas úteis em circuitos que são apropriados como o controle direto da luz conectada à rede elétrica. Também são utilizadas em fontes de alimentação industriais e militares de alta potência onde a simplicidade e robustez é essencial

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Figure 2: Conversão baseada em SCR

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Power Factor Correction (PFC)
Este é o aspecto mais complicado de entender de um conversor. O PFC é um elemento essencial para melhorar a eficiência de um conversor, corrigindo a fase relativa da corrente sendo puxada para a forma de onda de tensão para manter o fator de potência ótimo. Isso reduz as características de ‘carga reativa’ que o conversor pode apresentar para a rede elétrica. Isto é essencial para manter redes elétricas eficientes e de alta qualidade e as empresas de fornecimento de energia elétrica podem até mesmo impor tarifas especiais de corrente reativa aos clientes que têm fatores de potência ruins. PFC passivo ou activo refere-se ao facto de serem utilizados elementos activos ou passivos para corrigir as relações de fase. PFC semicondutor pode se referir a ICs especiais com controladores integrados adaptados para monitorar e ajustar ativamente o circuito PFC, reduzindo a contagem de componentes e simplificando o projeto geral ao mesmo tempo em que se obtém maior desempenho. Eles podem incorporar outras funções como proteção de sobre/subtensão, proteção de sobrecorrente, partida suave e detecção de falhas/respostas.

O conversor representado na figura 1 é um conversor PFC de fase única. O condensador nesta seção é utilizado para armazenar a energia desequilibrada entre a potência de entrada pulsante e a potência de saída relativamente constante do estágio. Veja a seção “Armazenamento de Energia Reativa” para mais detalhes sobre isto. Conversores PFC de dois estágios são comumente usados porque eles não têm que lidar com uma faixa de tensão tão ampla em todo o capacitor de armazenamento que você recebe em fontes de alimentação universais, o que tem um efeito prejudicial sobre a eficiência da conversão. Eles também podem oferecer melhores compensações no tamanho do capacitor, e isso pode ajudar a reduzir o custo.

Power Stage
O estágio de potência controla a potência fornecida do lado primário para o secundário através do transformador. É composto por um dispositivo de comutação ativo que comuta em uma alta freqüência que pode estar nas centenas de kHz. O estado de comutação ON/OFF é controlado por uma entrada de modulação de largura de pulso (PWM) que muda dependendo da quantidade de energia que precisa ser fornecida dinamicamente à carga. Esta informação é obtida por um caminho de retorno do lado secundário que pode ser comunicado por uma série de técnicas que se adaptam aos requisitos de isolamento do conversor. A maior freqüência de comutação resulta em uma menor necessidade de transformador, reduzindo tamanho e custo.

Transformador
Um transformador é composto de fios enrolados em um núcleo comum que se acoplam um ao outro por indução eletromagnética. Isto é importante quando se liga a fontes de alta tensão (rede) – referida como conversão ‘off-line’, pois o acoplamento indutivo desliga a rede do circuito subsequente, um cenário muito mais seguro do que a ligação directa. Este acoplamento por um campo electromagnético, em vez de um circuito de cobre directo, chamado “isolamento galvânico”, restringe a energia máxima que pode causar choque eléctrico ou descarga de faíscas perigosas à energia armazenada nas linhas de fluxo do campo magnético dos transformadores. A capacidade (relacionada ao tamanho e materiais) do transformador para armazenar energia é uma consideração importante no projeto do conversor, pois dita como o transformador pode fornecer a energia para manter o potencial de tensão desejado sob condições de carga variáveis.

Detalhes da teoria e operação do transformador podem ser encontrados aqui.

Figure 1 tem um bloco chamado ‘Mag Amp Reset’ associado à desmagnetização do transformador devido a uma corrente de magnetização inerente à arquitetura. Sem isso, a remanência do material do núcleo o saturaria em alguns ciclos do PWM do estágio de potência. Embora demasiado complexo para cobrir neste tutorial, este circuito adicional pode ser muito confuso ao rever os diagramas de circuito do conversor, e é útil saber porque é necessário. Há uma série de técnicas para realizar a desmagnetização, sendo a mais simples quando o interruptor do estágio de potência está desligado, uma corrente de desmagnetização é alimentada de volta através de um diodo auxiliar separado. Este circuito restringe o ciclo de trabalho máximo de PWM a 50%, mas métodos mais complexos podem ser usados para permitir ciclos de trabalho mais altos.

Transformadores ou outros métodos de isolamento galvânico (como optoacopladores) são frequentemente usados para comunicar sinais de informação entre os lados primário e secundário. Isto é necessário para facilitar um controle mais intrincado do processo de conversão – permitindo que um circuito de controle situado no lado primário responda ao estado da carga do lado secundário e mude dinamicamente a forma como orienta a corrente para obter menor ruído e maior eficiência.

Circuitos de saída
Como mencionado na seção de filtragem, campos elétricos em elementos reativos passivos (armazenamento) como capacitores e indutores armazenam energia. Quando usados após a retificação da direção da carga, eles atuam como um reservatório de energia durante o ciclo de energia de entrada alternada. Este é um elemento vital em um conversor, pois este armazenamento de energia atua como uma fonte – permitindo uma tensão de saída constante sob condições variáveis de carga. Os elementos ativos sentem a tensão apresentada à carga e/ou a corrente fluindo para a carga e, em um loop de controle de feedback negativo, usam essa informação para ajustar a energia bombeada para esses elementos de armazenamento a fim de manter um nível constante de tensão de saída. Este processo de bombeamento utiliza elementos ativos para ligar e desligar a corrente que flui para os elementos de armazenamento, referidos no conceito amplo de regulação.

Regulamento
Necessitamos de uma tensão constante apresentada a um circuito de carga, independentemente da impedância dinâmica da carga. Sem isso, podem ocorrer condições de sobre ou sub tensão, levando a um comportamento espúrio do circuito ou mesmo a danos no circuito. Isto é particularmente verdadeiro com a eletrônica digital de baixa tensão, na qual as tensões de alimentação devem ser apertadas dentro de uma janela de poucos por cento de um valor nominal. Os elementos reativos não têm nenhum controle embutido sobre isso. A forma como um conversor AC/DC atinge uma janela de tensão de saída firmemente controlada é controlando condicionalmente a energia armazenada na fonte de armazenamento reativa de baixa impedância.

A saída de tensão mudará ao longo do tempo à medida que a energia drena desses elementos e também pode ter variância causada pelas características não ideais dos dispositivos – como resistência em série ou capacitância parasitária. É necessário algum tipo de controle dinâmico para recarregar esta fonte. Isto é chamado de regulação. Cargas como microprocessadores mudam a potência que exigem ao realizar diferentes operações, e isto exacerba a necessidade de ter uma regulação dinâmica ativa.

Controle de regulação é um circuito de realimentação que controla os elementos de comutação. Neste caso, o elemento de comutação está no lado primário do conversor. Para que um comutador seja eficiente, ele tem que ser ligado (menor impedância possível) ou desligado (maior impedância possível) – pois entre os estados leva a que a energia que passa pelo comutador seja dissipada e desperdiçada. Interruptores semicondutores como o MOSFETS não são ideais e exibem alguma impedância, dissipam energia e isso diminui a eficiência da conversão.

Existem apenas duas formas de controlar um interruptor , variando o ciclo de funcionamento de um interruptor, chamado Modulação da Largura de Pulso (PWM) ou controlando a frequência de estar ligado ou desligado. Os conversores de Modo Não-Resonante empregam técnicas de comutação dura, mas os conversores de Modo Resonante empregam uma técnica mais inteligente de comutação suave. Comutação suave significa ligar ou desligar as formas de onda de corrente alternada em tensão zero ou pontos de corrente zero, eliminando perdas de comutação e levando a arquiteturas de muito alta eficiência. Técnicas como a retificação síncrona substituem os diodos de retificação por elementos de comutação ativos como MOSFETS. Controlar a comutação sincronizada com a forma de onda AC de entrada permite ao MOSFET conduzir com uma resistência muito baixa em ON e menor queda de tensão no momento certo – levando a uma maior eficiência quando comparado com a retificação do diodo.

Como o circuito de regulação sabe quando comutar? Há dois métodos principais de modo de controle: controle de voltagem e controle de corrente. Os reguladores utilizam um ou uma combinação de ambos os métodos para regular a tensão apresentada ao circuito de carga.

Modo de Controlo de Tensão

O circuito de regulação detecta a tensão de saída, compara-a com uma tensão de referência para criar uma função de erro. O sinal de erro modifica a relação de comutação para aproximar a saída do nível desejado. Este é o método mais simples de controlo.

Modo de controlo de corrente

Tensão de saída e corrente de indução detectadas e a combinação utilizada para controlar o ciclo de funcionamento. Este ‘loop de detecção de corrente’ interno permite um tempo de resposta mais rápido à mudança de carga, mas é mais complexo do que o modo de controle de tensão.

Outros complicando o elemento de regulação, além do método de controle, a forma como um conversor atua como um ciclo de comutação é chamado de modo de operação contínuo ou descontínuo. Um modo de operação contínuo é aquele em que a corrente do indutor nunca cai a zero (se a topologia do conversor tiver uma). Este é um modo de operação com menor ondulação de saída e, portanto, menor ruído, mas como o indutor está sempre conduzindo, ele está sempre dissipando alguma energia em suas perdas de condução em série não ideais. No modo descontínuo, a corrente do indutor pode ir até zero, fazendo com que a carga obtenha energia dos condensadores de armazenamento. Este é um modo de operação de maior eficiência, mas potencialmente tem mais ondulação e menor controle de regulação.

Tipos conversores
Como abordado brevemente, existem vários tipos de conversores relacionados à sua topologia, incluindo as arquiteturas flyback e buck- flyback. Estas são topologias comuns pois incorporam transformadores, têm baixa contagem de componentes e podem ser de baixo custo em relação a outras opções. Os conversores de volante são um conversor de impulso (step-up/step down) com o indutor substituído por um transformador. A energia armazenada no interior do transformador é utilizada para comutar o secundário através de um circuito de retificação ativo ou passivo. O tipo mais comum de conversor flyback utiliza o modo descontínuo (DCM) – com a corrente fluindo no transformador chegando a zero – já que este normalmente tem o loop de controle mais simples e o menor custo. Os conversores de modo de corrente contínua (CCM) são necessários para níveis de potência mais elevados, mas resultam em maiores perdas no enrolamento do transformador devido à condução contínua. Muitas fontes de alimentação alternam entre modos, dependendo do nível de carga. Os circuitos mais complexos que otimizam quando e como a comutação ocorre para melhorar a eficiência são os circuitos de ressonância quase-resonante (QR) e as variações de freqüência do vale na topologia de flyback. O retorno de retorno QR consegue isto através da reciclagem da energia de indutâncias de fuga não ideais, e a comutação de vales reduz os picos causados pelo excesso de carga. Eles são normalmente usados em aplicações de baixa potência.