Circuitos e Cálculos de Suavização de Capacitores
Os capacitores de reservatório são usados para suavizar a forma de onda retificada bruta em uma fonte de alimentação – é importante escolher o capacitor certo com o valor correto e a classificação de corrente de ondulação.
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Nosso Tutorial de Circuitos de Fonte de Alimentação Inclui:
Visão geral dos circuitos de alimentação | Fonte de alimentação linear | Fonte de alimentação do modo de comutação | Suavização do capacitor | Circuitos retificadores AC | Circuitos reguladores de tensão | Circuito regulador de tensão Zener | Proteção contra sobretensão | Especificações da fonte de alimentação | O que é um Fonte de Alimentação | Barramento de gerenciamento de energia: PMbus | Fonte de energia ininterrupta
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Em uma fonte de alimentação, seja uma fonte de alimentação linear ou uma fonte de alimentação comutada usando uma fonte de alimentação CA e retificadores de diodo, a saída retificada bruta é normalmente suavizada usando um capacitor de reservatório antes de ser aplicada a quaisquer reguladores ou outros circuitos eletrônicos semelhantes.
Os capacitores eletrolíticos de alumínio são ideais para atuar como capacitores de suavização, pois muitos eletrolíticos são capazes de fornecer uma capacitância suficientemente alta e suportar o nível de corrente de ondulação necessário para suavizar a forma de onda.
Essencialmente, o circuito de suavização preenche as principais quedas na forma de onda retificada bruta para que o regulador linear ou o circuito da fonte de alimentação do modo de comutação possam operar corretamente.
O capacitor de suavização altera a forma de onda de uma que muda de zero para a tensão de pico ao longo do ciclo da forma de onda de energia de entrada para uma onde as mudanças de tensão são muito menores. Essencialmente, eles suavizam a forma de onda, e isso dá origem ao nome.
Como os capacitores de suavização são usados em fontes de alimentação reguladas lineares e fontes de alimentação comutadas, eles formam uma parte essencial de muitos desses circuitos eletrônicos.
NOÇÕES BÁSICAS DE SUAVIZAÇÃO DE CAPACITOR
A suavização de capacitor é usada para a maioria dos tipos de fonte de alimentação, seja uma fonte de alimentação regulada linear, uma fonte de alimentação comutada ou até mesmo uma forma de fonte de alimentação suavizada e não regulamentada.
A CC bruta fornecida por um retificador de diodo por si só consistiria em uma série de meias ondas senoidais com a tensão variando entre zero e √2 vezes a tensão RMS (ignorando qualquer diodo e outras perdas).
Uma forma de onda dessa natureza não seria útil para alimentar circuitos porque qualquer circuito analógico teria o enorme nível de ondulação sobreposto à saída, e qualquer circuito digital não funcionaria porque a energia seria removida a cada meio ciclo.
A suavização do capacitor permite que os seguintes estágios da fonte de alimentação regulada linear ou da fonte de alimentação comutada funcionem corretamente.
Para suavizar a saída do retificador é usado um capacitor de reservatório – colocado na saída do recitador e em paralelo com a carga.
A suavização funciona porque o capacitor é carregado quando a tensão do retificador sobe acima da do capacitor e, à medida que a tensão do retificador cai, o capacitor fornece a corrente necessária de sua carga armazenada.
Desta forma, o capacitor é capaz de fornecer carga quando não estiver disponível no retificador e, consequentemente, a tensão varia consideravelmente menos do que se o capacitor não estivesse presente.
A suavização do capacitor não fornecerá estabilidade total de tensão, sempre haverá alguma variação na tensão. De fato, quanto maior o valor do capacitor, maior a suavização, e também quanto menor a corrente consumida, melhor a suavização.
Deve-se lembrar que o único caminho de descarga para o capacitor, além do vazamento interno, é através da carga para o sistema retificador / alisamento. Os diodos impedem o refluxo através do transformador, etc.
Outro ponto a ser lembrado é que a suavização do capacitor não fornece nenhuma forma de regulação e a tensão irá variar de acordo com a carga e quaisquer variações de entrada.
A regulação de tensão pode ser fornecida por um regulador linear ou por uma fonte de alimentação comutada.
VALOR DO CAPACITOR DE SUAVIZAÇÃO
A escolha do valor do capacitor precisa atender a uma série de requisitos. No primeiro caso, o valor deve ser escolhido de modo que sua constante de tempo seja muito maior que o intervalo de tempo entre os sucessivos picos da forma de onda retificada:
Onde:
R carga = a resistência total da carga para a alimentação
C = valor do capacitor em Farads
f = a frequência de ondulação – esta será o dobro da frequência de linha que um retificador de onda completa é usado.
TENSÃO DE ONDULAÇÃO DO CAPACITOR DE SUAVIZAÇÃO
Como sempre haverá alguma ondulação na saída de um retificador usando um circuito de capacitor de suavização, é necessário poder estimar o valor aproximado. A especificação excessiva de um capacitor aumentará o custo, o tamanho e o peso extras – a especificação insuficiente levará a um desempenho ruim.
O diagrama acima mostra a ondulação para um retificador de onda completa com suavização de capacitor. Se um retificador de meia onda fosse usado, então metade dos picos estaria faltando e a ondulação seria aproximadamente o dobro da tensão.
Para os casos em que a ondulação é pequena em relação à tensão de alimentação – o que quase sempre acontece – é possível calcular a ondulação a partir do conhecimento das condições do circuito:
retificador de onda completa
retificador de meia onda
Essas equações fornecem precisão mais do que suficiente. Embora a descarga do capacitor para uma carga puramente resistiva seja exponencial, a imprecisão introduzida pela aproximação linear é muito pequena para baixos valores de ondulação.
Vale lembrar também que a entrada de um regulador de tensão não é uma carga puramente resistiva, mas uma carga de corrente constante. Finalmente, as tolerâncias dos capacitores eletrolíticos usados para circuitos de suavização de retificadores são grandes – ± 20% no máximo, e isso mascarará quaisquer imprecisões introduzidas pelas suposições nas equações.
CORRENTE DE ONDULAÇÃO
Duas das principais especificações de um capacitor são sua capacitância e tensão de trabalho. No entanto, para aplicações em que grandes níveis de corrente podem fluir, como no caso de um capacitor de suavização de retificador, um terceiro parâmetro é importante – sua corrente máxima de ondulação.
A corrente de ondulação não é apenas igual à corrente de alimentação. Existem dois cenários:
- Corrente de descarga do capacitor: No ciclo de descarga, a corrente máxima fornecida pelo capacitor ocorre quando a saída do circuito retificador cai para zero. Neste ponto, toda a corrente do circuito é fornecida pelo capacitor. Isso é igual à corrente total do circuito.
- Corrente de carga do capacitor: No ciclo de carga do capacitor de suavização, o capacitor precisa repor toda a carga perdida, mas só pode conseguir isso quando a tensão do retificador exceder a do capacitor de suavização. Isso ocorre apenas durante um curto período do ciclo. Consequentemente, a corrente durante este período é muito maior. Quanto maior o capacitor, melhor ele reduz a ondulação e menor o período de carga.
O tempo de carregamento mais curto dá origem a níveis de corrente de pico muito grandes, pois o capacitor de suavização precisa absorver carga suficiente para o período de descarga em um tempo muito curto.
REDES DE SUAVIZAÇÃO DE SEÇÃO PI
Em algumas aplicações, um regulador de tensão linear não seria usado, uma forma melhorada de suavização poderia ser necessária. Isso pode ser fornecido usando dois capacitores e um indutor ou resistor em série.
A abordagem de fonte de alimentação suavizada é usada em alguns sistemas de alta tensão e em algumas outras áreas especializadas, mas não é tão comum quanto as fontes de alimentação reguladas lineares e as fontes de alimentação comutadas que fornecem regulação e suavização muito melhores.
Essa abordagem também pode ser vista em muitos aparelhos sem fio antigos onde o uso de uma fonte de alimentação regulada linear não era viável.
Existem duas opções para um sistema de suavização de seção π. Com dois capacitores entre a linha e o terra, o elemento em série era um indutor ou um resistor. O indutor custava muito mais e dava melhor desempenho, mas o resistor era uma opção muito mais barata, embora dissipasse mais potência.
Capacitores de suavização são elementos essenciais de fontes de alimentação lineares e fontes de alimentação comutadas e, como tal, são amplamente utilizados.
Ao selecionar um capacitor de reservatório para aplicações de suavização em uma fonte de alimentação, não apenas o valor em termos de capacitância é importante para fornecer a redução de tensão de ondulação necessária, mas também é muito importante garantir que a corrente nominal de ondulação do capacitor não seja excedida. Se muita corrente for consumida, o capacitor aquecerá e sua expectativa de vida será reduzida ou, em casos extremos, poderá falhar, às vezes catastroficamente.
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