Fonte chaveada: entenda suas funcionalidades

Computadores, consoles de videogame, carregadores de celulares e outros equipamentos presentes no nosso dia a dia têm um componente em comum: a fonte chaveada.

Não se engane com o seu tamanho reduzido: ela é muito eficaz e, em contato com a rede elétrica, cumpre a missão de direcionar energia aos mais diversos aparelhos, incluindo os industriais.

Neste artigo, você vai conhecer melhor a fonte chaveada, aprendendo sobre seus tipos, vantagens e aplicações.

Vamos lá?

O que é fonte chaveada?

Fonte chaveada ou fonte comutada é um componente utilizado para converter corrente elétrica em uma tensão regulada, encaminhando energia a equipamentos eletrônicos e industriais.

Recebe esse nome pois apresenta um circuito integrado muito eficaz que alterna rapidamente os estados “ligado” e “desligado”, controlando a tensão de saída.

Diferente da fonte linear, que usa um loop de controle para dissipação de energia dentro de um resistor, a fonte chaveada aplica comutação de alta frequência de um circuito eletrônico para fazer a mesma regulação, minimizando o desperdício de energia.

Componentes de uma fonte de alimentação

• Transformador – reduz a tensão AC da rede elétrica em tensão AC mais próxima da esperada;
• Retificador – converte a tensão AC em tensão DC, usando diodos e capacitor;
• Regulador de tensão – a partir da tensão retificada, produz uma tensão constante;
• Circuito de controle; 
• Capacitores de filtragem.

Fonte chaveada: como funciona?

O funcionamento da fonte de alimentação ocorre desta forma: o transistor chaveia rapidamente entre os modos de operação “ligado” e “desligado”. A tensão de saída é definida pela frequência em que ocorre o chaveamento e a relação entre os estágios “ligado” e “desligado”.

O indutor reserva energia, enquanto o transistor a encaminha e libera toda vez que ele desliga. O capacitor suaviza a variação de tensão na saída. Operando como chave, o transistor bloqueia ou conduz a corrente de entrada.

Tipos de fonte chaveada

As fontes chaveadas podem ser classificadas segundo sua topologia:

• Topologias isoladas: Forward Simples, Forward Push-Pull, Forward Half-Bridge, Forward Full-Bridge, Fly-back, Boost Push-Pull;
• Topologias não isoladas: Buck ou Step-down (conversor abaixador), Boost ou Step-up (conversor elevador), Buck-boost (conversor inversor).

Vantagens de uma fonte chaveada

Em comparação a outros modelos de fonte, a fonte chaveada oferece muitas vantagens, como: tamanho compacto, alta eficiência e menor dissipação de calor. Vamos detalhar esses e outros benefícios:

Maior eficiência

A fonte chaveada é considerada mais eficiente do que a fonte linear, pois gera menos calor, já que o transistor de comutação dissipa pouca energia, atuando como uma chave.

Enquanto em uma fonte linear cerca de 50% da potência se perde, nas fontes chaveadas há uma eficiência acima de 70% e, em alguns modelos, até 98%.

Tamanho menor

As dimensões do componente são pequenas e leves, devido à ausência de pesados transformadores de frequência e ao uso de circuitos embutidos que permitem a dissipação de potências maiores. Isso o torna ideal para dispositivos eletrônicos portáteis. 

Economia de energia

A fonte chaveada auxilia na economia de energia, uma vez que pode ser personalizada com recursos de proteção contra sobretensão, possibilitando aproveitamento máximo dos equipamentos e redução de gastos com eletricidade.

Ampla faixa de saída

Ao contrário da fonte linear, que tem limitação de saída, a fonte chaveada oferece faixas mais amplas.

Quais as desvantagens de uma fonte chaveada?

Complexidade e Manutenção:

As fontes chaveadas são mais complexas do que outros tipos de fontes de alimentação. Devido à sua complexidade, quando sofrem danos, as chances de recuperação são baixas. Na maioria dos casos, é necessário substituir a fonte danificada por uma nova.

Emissão de Ruídos Eletromagnéticos:

As fontes chaveadas emitem ruídos eletromagnéticos devido ao processo de chaveamento. Esses ruídos podem afetar o funcionamento interno da própria fonte e também interferir em equipamentos eletrônicos próximos.

Dica do Especialista

“Os fabricantes de máquinas não podem comprometer a sua automação devido à má escolha de fontes chaveadas. É essencial que escolham fornecedores de fontes chaveadas que possuam certificações internacionais.”

Engenheiro Antônio Araujo, com mais de 40 anos de experiência e gestor de Contas O&Ms da Kalatec

Para mitigar esses problemas, os fabricantes de fontes chaveadas  de qualidade adotam várias estratégias e técnicas de design. Vamos explorar algumas das principais soluções:

1. Filtros EMI (Interferência Eletromagnética)

Os filtros EMI são componentes essenciais em fontes chaveadas. Eles são projetados para atenuar os ruídos de alta frequência gerados durante o chaveamento.

Os filtros EMI geralmente consistem de capacitores e indutores que formam circuitos de filtro passa-baixa, bloqueando frequências indesejadas enquanto permitem a passagem da corrente contínua.

2. Blindagem Eletromagnética

A blindagem eletromagnética envolve o uso de materiais condutores, como cobre ou alumínio, para criar uma barreira física ao redor dos componentes da fonte. Essa blindagem ajuda a conter os campos eletromagnéticos dentro da fonte, reduzindo a emissão de ruídos para o ambiente externo.

3. Layout de PCB (Placa de Circuito Impresso) Otimizado

O design do layout da PCB é crucial para minimizar a emissão de ruídos. Os fabricantes seguem práticas de design específicas, como:

• Minimização de Loop de Corrente: Reduzir o tamanho dos loops de corrente de alta frequência para minimizar a radiação de ruído.
• Separação de Trilhas de Alta e Baixa Frequência: Manter trilhas de sinais de alta frequência afastadas das trilhas de sinais de baixa frequência para evitar acoplamento indesejado.
• Planos de Terra Sólidos: Utilizar planos de terra contínuos para fornecer um caminho de retorno de baixa impedância para as correntes de chaveamento.

4. Componentes de Alta Qualidade

O uso de componentes de alta qualidade, como capacitores de baixa ESR (Resistência Série Equivalente) e indutores com núcleos de ferrite, ajuda a reduzir a geração de ruídos. Esses componentes são projetados para operar eficientemente em altas frequências, minimizando perdas e interferências.

5. Modulação de Frequência

Algumas fontes chaveadas utilizam técnicas de modulação de frequência para espalhar o espectro de ruído em uma faixa mais ampla de frequências. Isso reduz a densidade de potência do ruído em qualquer frequência específica, tornando-o menos perceptível e menos provável de causar interferência.

6. Uso de Capacitores de Desacoplamento

Capacitores de desacoplamento são colocados próximos aos componentes críticos para fornecer um caminho de baixa impedância para as correntes de alta frequência. Isso ajuda a reduzir a propagação de ruídos dentro da fonte.

7. Isolamento Galvânico

O isolamento galvânico entre diferentes seções da fonte, como entre a entrada e a saída, é frequentemente implementado usando transformadores ou optoacopladores. Isso impede que ruídos de alta frequência se propaguem de uma seção para outra.

8. Teste e Certificação

Os fabricantes submetem suas fontes chaveadas a rigorosos testes de conformidade com normas de EMI/EMC (Compatibilidade Eletromagnética), como as normas da FCC (Federal Communications Commission) e CE (Conformidade Europeia).

Esses testes garantem que as fontes atendam aos requisitos regulamentares de emissão de ruídos.

Qual a diferença entre a fonte linear e a fonte chaveada?

A fonte linear é maior que uma fonte chaveada e dissipa potências menores, sendo indicada para aplicações que exigem menos energia para funcionar.

Geralmente, a fonte chaveada gera menos calor e ruídos, oferecendo maior versatilidade e eficiência.

Qual é melhor: fonte chaveada ou linear?

A melhor opção depende da aplicação: uma fonte chaveada é adequada para aplicações de alta potência, devido à sua eficiência, menor custo e tamanho menor.

Quando falamos em situações que envolvam baixa potência, que requerem baixo ruído e alta precisão, uma fonte linear consegue atender bem.

Onde é possível usar fonte chaveada? Conheça as principais aplicações

• computadores e notebooks;
• televisores;
• rádios;
• carregadores de celular;
• máquinas industriais;
• robôs;
• sensores;
• atuadores;
• motores CC;
• sistemas de automação;
• eletrônica automotiva;
• dispositivos médicos;
• eletrodomésticos;
• sistemas de iluminação; etc.

Fonte chaveada: dúvidas frequentes

Quando um projeto requer geração eficiente de tensão de alimentação, as fontes chaveadas são uma boa escolha. Entretanto, na hora de escolher o produto, podem surgir dúvidas.

Qual a diferença de uma fonte chaveada para uma normal?

Uma fonte normal é usada em diversos casos, porém, quando eficiência e versatilidade são cruciais, a fonte chaveada é a melhor escolha.

Isso porque a fonte normal utiliza a resistência elétrica para dissipação da energia que alimenta os equipamentos, produzindo calor em demasia. Já o modelo chaveado produz ondas de alta frequência, sem gerar calor.

Qual a voltagem de uma fonte chaveada?

O item é encontrado em algumas opções de voltagens. Uma fonte chaveada de 12V, por exemplo, fornece saída de corrente contínua de 12 volts – tensão tipicamente adotada em lâmpadas e ventiladores.

Na Kalatec Automação, são comercializadas fontes chaveadas de 12V, 24V e 48V, para atender a uma infinidade de projetos.

Fontes chaveadas Kalatec: mais eficiência e desempenho em projetos industriais!

Grandes projetos podem ser mal-sucedidos por causa da escolha errada da fonte de alimentação. O elemento de baixo custo, mas não menos importante na automação industrial, é a fonte de energia para todo o controle de um painel de comando.

Uma fonte chaveada apresenta especificações importantes, como, por exemplo, a alta eficiência e o alto desempenho. Mas, para garantir o aproveitamento de todos os benefícios, é sempre muito importante manter uma atenção especial no que diz respeito à qualidade do produto.

Aqui, na Kalatec, você encontra diversos modelos de fonte chaveada, com as mais diferentes voltagens de saída, watts de potência, amperes de corrente e tipos de fixação!

Conclusão

Ao selecionar componentes essenciais em um projeto de automação, a fonte chaveada não pode ficar de fora. Isso porque ela é a responsável por fornecer a energia elétrica necessária para a operação dos equipamentos, de uma maneira segura e estável.

Como descrevemos ao longo do artigo, suas vantagens frente a outros modelos de fonte de alimentação são notáveis e incluem seu design compacto, alta eficiência e baixo custo.

Se está em busca de uma fonte chaveada de qualidade para o seu projeto de automação, consulte a Kalatec e conheça as melhores opções do mercado.

Até mais!