Circuitos Eletrônicos - SMPS

Os tópicos discutidos até agora representam diferentes seções da unidade de fonte de alimentação. Todas essas seções juntas fazem oLinear Power Supply. Este é o método convencional de obtenção de CC fora da alimentação CA de entrada.

Fonte de alimentação linear

A fonte de alimentação linear (LPS) é a fonte de alimentação regulada que dissipa muito calor no resistor em série para regular a tensão de saída que tem baixa ondulação e baixo ruído. Este LPS tem muitos aplicativos.

Uma fonte de alimentação linear requer dispositivos semicondutores maiores para regular a tensão de saída e gera mais calor, resultando em menor eficiência energética. As fontes de alimentação lineares têm tempos de resposta transitórios até 100 vezes mais rápidos do que as outras, o que é muito importante em certas áreas especializadas.

Vantagens do LPS

O fornecimento de energia é contínuo.
O circuito é simples.
Esses são sistemas confiáveis.
Este sistema responde dinamicamente às mudanças de carga.
As resistências do circuito são alteradas para regular a tensão de saída.
Como os componentes operam em região linear, o ruído é baixo.
A ondulação é muito baixa na tensão de saída.

Desvantagens do LPS

Os transformadores usados são mais pesados e grandes.
A dissipação de calor é mais.
A eficiência da fonte de alimentação linear é de 40 a 50%
A energia é desperdiçada na forma de calor em circuitos LPS.
Tensão de saída única é obtida.

Já examinamos diferentes partes de uma fonte de alimentação linear. O diagrama de blocos de uma fonte de alimentação linear é mostrado na figura a seguir.

Apesar das desvantagens acima, as fontes de alimentação lineares são amplamente utilizadas em amplificadores de baixo ruído, equipamentos de teste e circuitos de controle. Além disso, eles também são usados na aquisição de dados e processamento de sinais.

Todos os sistemas de alimentação que precisam de regulagem simples e onde a eficiência não é uma preocupação, são usados os circuitos LPS. Como o ruído elétrico é menor, o LPS é usado para alimentar circuitos analógicos sensíveis. Mas para superar as desvantagens do sistema de fonte de alimentação linear, a fonte de alimentação comutada (SMPS) é usada.

Fonte de alimentação comutada (SMPS)

As desvantagens do LPS, como menor eficiência, a necessidade de um grande valor de capacitores para reduzir ondulações e transformadores pesados e caros, etc., são superadas pela implementação de Switched Mode Power Supplies.

O funcionamento do SMPS é simplesmente compreendido sabendo-se que o transistor usado no LPS é usado para controlar a queda de tensão enquanto o transistor no SMPS é usado como um controlled switch.

Trabalhando

O funcionamento do SMPS pode ser entendido pela figura a seguir.

Vamos tentar entender o que acontece em cada estágio do circuito SMPS.

Estágio de entrada

O sinal de alimentação de entrada CA de 50 Hz é fornecido diretamente para o retificador e a combinação do circuito do filtro, sem usar nenhum transformador. Esta saída terá muitas variações e o valor da capacitância do capacitor deve ser maior para lidar com as flutuações de entrada. Esta CC não regulada é fornecida à seção de chaveamento central do SMPS.

Seção de comutação

Um dispositivo de chaveamento rápido como um transistor de potência ou um MOSFET é empregado nesta seção, que liga e desliga de acordo com as variações e esta saída é dada ao primário do transformador presente nesta seção. Os transformadores usados aqui são muito menores e mais leves, ao contrário dos usados para alimentação de 60 Hz. Eles são muito eficientes e, portanto, a taxa de conversão de energia é maior.

Estágio de Saída

O sinal de saída da seção de chaveamento é novamente retificado e filtrado, para obter a tensão CC necessária. Esta é uma tensão de saída regulada que é então fornecida ao circuito de controle, que é um circuito de feedback. A saída final é obtida após considerar o sinal de feedback.

Unidade de controle

Esta unidade é o circuito de feedback que possui muitas seções. Vamos ter um entendimento claro sobre isso na figura a seguir.

A figura acima explica as partes internas de uma unidade de controle. O sensor de saída detecta o sinal e o conecta à unidade de controle. O sinal é isolado da outra seção para que quaisquer picos repentinos não afetem o circuito. Uma tensão de referência é fornecida como uma entrada junto com o sinal para o amplificador de erro, que é um comparador que compara o sinal com o nível de sinal necessário.

Ao controlar a frequência de corte, o nível de tensão final é mantido. Isso é controlado pela comparação das entradas fornecidas ao amplificador de erro, cuja saída ajuda a decidir se deve aumentar ou diminuir a frequência de corte. O oscilador PWM produz uma frequência fixa de onda PWM padrão.

Podemos ter uma ideia melhor sobre o funcionamento completo do SMPS dando uma olhada na figura a seguir.

O SMPS é usado principalmente onde a comutação de voltagens não é um problema e onde a eficiência do sistema é realmente importante. Existem alguns pontos que devem ser observados em relação ao SMPS. Eles são

O circuito SMPS é operado por comutação e, portanto, as tensões variam continuamente.
O dispositivo de comutação é operado no modo de saturação ou corte.
A tensão de saída é controlada pelo tempo de comutação do circuito de feedback.
O tempo de comutação é ajustado ajustando o ciclo de serviço.
A eficiência do SMPS é alta porque, em vez de dissipar o excesso de energia como calor, ele alterna continuamente sua entrada para controlar a saída.

Desvantagens

Existem algumas desvantagens no SMPS, como

O ruído está presente devido à comutação de alta frequência.
O circuito é complexo.
Ele produz interferência eletromagnética.

Vantagens

As vantagens do SMPS incluem,

A eficiência é tão alta quanto 80 a 90%
Menor geração de calor; menos desperdício de energia.
Feedback harmônico reduzido na rede de alimentação.
O dispositivo é compacto e de tamanho pequeno.
O custo de fabricação é reduzido.
Provisão para fornecer o número necessário de tensões.

Formulários

Existem muitas aplicações de SMPS. Eles são usados na placa-mãe de computadores, carregadores de telefones celulares, medições HVDC, carregadores de bateria, distribuição de energia central, veículos motorizados, eletrônicos de consumo, laptops, sistemas de segurança, estações espaciais, etc.

Tipos de SMPS

SMPS é o circuito de fonte de alimentação comutada, projetado para obter a tensão de saída CC regulada de uma tensão CC ou CA não regulada. Existem quatro tipos principais de SMPS, como

Conversor DC para DC
Conversor AC para DC
Conversor Fly back
Conversor de avanço

A parte de conversão CA para CC na seção de entrada faz a diferença entre o conversor CA para CC e o conversor CC para CC. O conversor Fly back é usado para aplicações de baixa potência. Também existem Conversores Buck e Conversores Boost nos tipos SMPS que diminuem ou aumentam a tensão de saída dependendo dos requisitos. O outro tipo de SMPS inclui conversor fly-back auto-oscilante, conversor Buck-boost, Cuk, sépico, etc.