Fundamentos das fontes de alimentação: Modos de operação, detecção remota, ripple e ruído

Visão geral

Saiba mais sobre os princípios das fontes de alimentação CC programáveis, incluindo o modo de tensão constante, modo de corrente constante, detecção remota, ripple, ruído, isolação, tempo de subida, tempo de estabilização e resposta a transientes. Este tutorial é parte da série de fundamentos dos instrumentos de medição.

Conteúdo

O que uma fonte de alimentação CC programável?

Comumente utilizada em aplicações de pesquisa, projeto, desenvolvimento e produto, a fonte de alimentação CC é um instrumento que pode fornecer alimentação CC a um dispositivo conectado. Um dispositivo conectado a uma fonte de alimentação pode ser denominado carga, dispositivo sob teste (DUT) ou unidade sob teste (UUT), dependendo do contexto. Para caracterizar um DUT ou testar se um DUT está funcionando como esperado, muitas fontes de alimentação CC podem simultaneamente fornecer alimentação e medir a tensão ou corrente consumida pelo DUT. Tipicamente, as fontes de alimentação fornecem uma tensão ou corrente constante e monitoram o dreno de corrente ou queda de tensão resultantes. Uma fonte de alimentação CC programável pode ser automatizada, pelo uso de um computador. Algumas fontes de alimentação CC programáveis podem armazenar sequências de saída ou medições em memória interna, enquanto outras podem apenas tratar de ações imediatas.

Figura 1. A maior parte das fontes de alimentação CC operam no quadrante I, fornecendo tensão e corrente positivas, ou no quadrante III, fornecendo tensão e corrente negativas.

 

Considerando o diagrama de I-V mostrado na Figura 1, a maior parte das fontes de alimentação opera no quadrante I, fornecendo tensão e corrente positivas, ou no quadrante III, fornecendo tensão e corrente negativas. A fórmula para calcular a potência CC é P = V x I. No quadrante I, a tensão e corrente são ambas positivas; no quadrante III, tensão e corrente são ambas negativas. Nos dois casos, substituindo os valores na fórmula de potência, teremos um valor de potência positivo, o que é determinado modo fonte (source). Operando nos quadrantes II e IV, teremos uma saída de potência negativa, o que é determinado modo dreno (sink). No modo fonte, a potência é gerada na fonte e dissipada no DUT. No modo dreno, a potência é gerada no DUT e dissipada na fonte.

 

Alguns dispositivos, denominados unidades de fonte e medição (SMUs), podem operar em todos os quatro quadrantes, nos modos fonte e dreno. Você pode pensar na SMU como uma bateria recarregável ideal. Quando conectada ao carregador, a bateria drena (modo sink) alimentação do carregador. Quando você desconecta a bateria do carregador e a utiliza para alimentar uma lanterna, essa bateria passa a ser uma fonte que fornece energia à lâmpada. As SMUs são comumente utilizadas para caracterizar baterias, células solares, fontes de alimentação, conversores CC-CC e outros dispositivos de geração de energia.


Outro fator que diferencia as fontes de alimentação CC e SMUs é a precisão. Algumas aplicações são especialmente exigentes e requerem maior precisão que a oferecida por uma fonte de alimentação típica. É comum encontrar SMUs com alta precisão, na faixa de µV ou pA. Esse é o motivo pelo qual elas são muitas vezes preferidas quando a exatidão em valores fornecidos e medidos for importante e a aplicação exigir uma sensibilidade maior que a encontrada em uma fonte de alimentação típica. Maiores detalhes sobre a precisão podem ser encontrados na página de qualidade de amostragem analógica: exatidão, sensibilidade, precisão e ruído. Você pode também ler mais sobre SMUs em O que é uma unidade de fonte e medição?

 

Modos de tensão constante e corrente constante

Além de entender as diferenças entre fornecer e drenar alimentação, é importante também compreender a diferença entre o modo de tensão constante e o modo de corrente constante. As fontes de alimentação CC programáveis podem operar no modo de tensão constante ou no modo de corrente constante, dependendo dos níveis de saída e condições de carga desejadas.

 

Modo de tensão constante

No modo de tensão constante, às vezes denominado modo de tensão controlada, a fonte de alimentação atua como fonte de tensão, mantendo constante a tensão em seus terminais de saída mesmo com variações na corrente de saída, dependendo das condições da carga.. Se a resistência de sua carga varia, segundo a lei de Ohm (V = I x R) você terá também uma variação proporcional na corrente fornecida, para manter o nível de tensão de saída da fonte de alimentação. Se a resistência do DUT cair repentinamente, então a fonte de alimentação aumentará a corrente, para manter a tensão constante.

 

Utilizando uma fonte de alimentação CC programável, você pode definir o limite de corrente desejado. Se a sua carga tentar drenar mais corrente que o permitido, a fonte de alimentação começará a operar no modo compliance, o que significa que ela não conseguirá atingir o nível de tensão de saída solicitado sem violar o limite de corrente programado pelo usuário. Nesse momento, a fonte de alimentação passará ao modo de corrente constante e a corrente será mantida no limite estabelecido. Esse nível de resistência de carga é referido como resistência de compliance, que pode ser calculada dividindo-se o ponto de ajuste de tensão pelo limite de corrente. Outros nomes comuns para resistência de compliance são resistência crítica e resistência de crossover.

 

Por exemplo, suponha que você quer fornecer uma tensão constante de 5 V (VS = 5 V) ao seu DUT, que tipicamente oferece uma resistência de carga de 50 Ω (RL = 50 Ω). Além disso, você decide limitar a saída de corrente a 300 mA (IS = 0,3 A), para evitar danos no DUT. Usando a fórmula de resistência de compliance (RC = VS / IS), encontramos 16,67 Ω como a resistência mínima de carga para mantermos a saída operando no modo de tensão constante. Se sua resistência de carga flutuar, mas permanecer acima de 16,67 Ω, então sua fonte de alimentação continuará a fornecer uma tensão constante de 5 V. Se houver uma falha no DUT que leve a resistência de carga a menos que 16,67 Ω, a fonte de alimentação começará a operar no modo compliance, passando ao modo de corrente constante e fornecendo uma corrente estável de 300 mA a níveis de tensão menores que 5 V.

Figura 2. No modo de tensão constante, você precisa definir um limite de corrente para proteger o DUT.

 

Modo de corrente constante

O modo de corrente constante é basicamente o oposto do modo de tensão constante. No modo de corrente constante, também conhecido como modo de corrente controlada, a fonte de alimentação se comporta como fonte de corrente, mantendo constante a corrente fornecida nos terminais de saída, enquanto que a tensão de saída pode variar, dependendo das condições da carga. Segundo a lei de Ohm, se a resistência de sua carga variar, a tensão também deverá variar, de forma a manter a corrente constante. Se houver uma falha no DUT do exemplo anterior que faça a resistência da carga cair, a fonte de alimentação reduzirá a tensão de saída proporcionalmente, para manter a corrente constante. Por exemplo, a operação em corrente constante é desejável quando estamos controlando LEDs, que podem ser danificados por uma corrente alta.

 

O modo de corrente constante conta também com um limite de tensão configurável, que impõe uma resistência de compliance similar à utilizada no modo de tensão constante. Você pode utilizar o mesmo cálculo do modo de tensão constante para calcular sua resistência de compliance para operações de corrente constante. Entretanto, no modo de corrente constante, sua resistência de carga precisa ficar abaixo da resistência de compliance para podermos manter constante a corrente desejada. A Figura 2 ilustra o conceito de resistência de compliance para os modos de tensão constante e corrente constante.

 

Uma aplicação que requer simultaneamente a operação de tensão constante e de corrente constante é o carregamento de uma bateria de íons de lítio, um tipo comum de bateria recarregável, utilizada em dispositivos eletrônicos portáteis por sua densidade de energia, ausência do efeito memória e baixa perda de carga quando fora de uso. Para recarregar uma bateria de íons de lítio, a fonte de alimentação precisa aplicar uma corrente constante, monitorando o nível de tensão da bateria até que ela atinja sua tensão máxima. Após a bateria de íons de lítio estar totalmente carregada, a fonte de alimentação deve passar ao modo de tensão constante, que fornece o valor mínimo de corrente necessário para manter a bateria em sua tensão máxima.

 

Medições com uma fonte de alimentação CC programável

Um recurso importante na maior parte das fontes de alimentação CC é a capacidade de medir a corrente e tensão geradas. Esse recurso é essencial para muitas aplicações como a determinação de curvas I-V, nas quais é necessário medir o dreno de corrente para vários pontos de tensão. A medição em uma fonte de alimentação CC programável é similar à mesma medição em um multímetro digital (DMM). Como ocorre em qualquer dispositivo de medição, há uma escolha entre a velocidade na qual as medições são realizadas e a quantidade de ruído nessas medições. Alguns dos principais conceitos de medição são a exatidão, tempo de abertura, zeragem automática, detecção remota, faixas de entrada, resolução e sensibilidade. Veja mais informações sobre esses tópicos nas páginas de tipos de medição e terminologia comum dos DMMs e qualidade da amostragem analógica: exatidão, sensibilidade, precisão e ruído, incluídas na série de fundamentos de instrumentos de medição.

 

Detecção remota

Um desafio a ser enfrentado quando queremos fornecer ou medir tensões com precisão e exatidão é o efeito da resistência do fio na tensão que chega ao DUT. A resistência dos fios sempre está presente, mas pode se tornar um problema quando usamos fios longos de pequena bitola. O Quadro 1 fornece as resistências típicas de diferentes bitolas de fios de cobre. Embora tipicamente não maiores que alguns poucos ohms, essas pequenas resistências podem ter um amplo efeito na tensão recebida por um DUT, especialmente quando a resistência interna do DUT for pequena.

 

Quadro 1. A resistência dos fios pode afetar em muito a tensão recebida por um DUT.

 

A Figura 3 mostra o diagrama de um circuito genérico, formado pelo instrumento que fornece alimentação, os fios e o dispositivo sob teste. Nesse caso, são utilizados fios de cobre 26 AWG de um pouco mais de 7,3 m, com resistência resultante nos fios de aproximadamente 1 Ω, tanto nos fios positivo e negativo que conectam a fonte de alimentação ao DUT. A corrente fornecida pela fonte de alimentação provoca uma queda de tensão em Rlead1 (fio 1) e Rlead2 (fio 2), o que faz a tensão em RDUTser menor que Vsource (fonte).

Figura 3. Exemplo de diagrama de conexões para uma fonte de alimentação CC programável típica sendo utilizada para calcular a tensão recebida pelo DUT.

 

Assumindo que a fonte de alimentação esteja fornecendo 5 V na saída e que o DUT tem uma impedância de 1 kΩ, você pode calcular a tensão real nos terminais do DUT pela seguinte fórmula:

 

 

Para esse caso, a tensão observada será, na verdade, apenas 4,99 V. Para alguns dispositivos, essa pequena alteração não é problema. Entretanto, em aplicações que exigem uma caracterização precisa com base na tensão de operação, esse erro poderá se tornar crítico. Além disso, no caso de dispositivos com impedância de entrada mais baixa, que drenam mais corrente, a tensão real do DUT pode ser substancialmente menor que a tensão na saída da fonte de alimentação. O Quadro 2 apresenta os valores de tensão que chegam ao DUT, com base nos menores valores de sua impedância de entrada.

 

Quadro 2. No caso de dispositivos com impedâncias de entrada mais baixas, a tensão observada no DUT pode ser substancialmente menor que a tensão na saída da fonte de alimentação, devido à resistência nos fios.

 

A solução para o erro de tensão resultante da resistência do fio é a detecção remota, também conhecida como detecção a 4 fios. Essa técnica compensa a queda de tensão ocorrida ao longo da resistência do fio, pela medição direta da tensão no DUT e sua compensação correspondente. Esse método é similar à maneira que os DMMs executam medições de resistência a 4 fios, para remover o efeito da resistência dos fios das medições de resistência. A maior parte das fontes de alimentação, as SMUs e os DMMs possuem dois terminais extras na saída para o uso dessa técnica de detecção remota a 4 fios. Esses terminais extras são conectados diretamente no DUT, como mostrado na Figura 4. Embora ainda haja a resistência dos fios usados na detecção remota, as medições de tensão são de alta impedância; dessa forma, não há fluxo de corrente através dos fios de detecção e, assim, nenhuma queda de tensão.

 

Figura 4.A detecção remota é uma técnica de conexão a 4 fios que pode eliminar os efeitos da resistência nos fios.

 

Especificações comuns das fontes de alimentação CC

 

Ripple e ruído

Para selecionar a fonte de alimentação CC programável a ser utilizada em sua aplicação, é importante considerar o ripple de saída e o ruído, o que às vezes é chamado de desvio periódico e aleatório (PARD - Periodic and Random Deviation). O ruído real é aleatório e disseminado ao longo de todas as frequências quando visualizado no domínio da frequência, enquanto que o ripple tipicamente é periódico. O ripple é introduzido pela retificação CA-CC exigida para converter a alimentação CA da rede elétrica aos níveis CC desejados. Dependendo do tipo de regulação utilizada pela fonte de alimentação, o ripple pode ter uma ou duas frequências fundamentais.

 

As fontes de alimentação CC tipicamente utilizam regulação linear ou chaveada para converter a alimentação CA de 50/60 Hz em um sinal de alimentação CC. As fontes de alimentação de regulação linear utilizam um transformador CA-CC para converter a tensão de linha em uma saída CC estável. Dessa maneira, a saída de tensão de uma fonte de alimentação de regulação linear normalmente tem um ripple de baixa frequência de 50/60 Hz, além de eventuais ruídos presentes. Fontes de alimentação com regulação linear tipicamente apresentam baixo ripple e ruído, mas também têm baixa eficiência, maiores dimensões e produzem mais calor. Por outro lado, as fontes de alimentação chaveadas convertem a corrente de 50/60 Hz em uma frequência muito maior, resultando em algum ripple periódico de alta frequência além do ripple de baixa frequência de 50/60 Hz. A fontes de alimentação chaveadas são tipicamente mais compactas, produzem menos calor e são mais eficientes, mas são mais susceptíveis ao ruído de alta frequência. A Figura 5 mostra uma ilustração do ripple de alta frequência e ruído aleatório.

 

Figura 5. Nas fontes de alimentação, o ruído tipicamente é aleatório e disseminado ao longo de todas as frequências, enquanto o ripple é periódico.

 

Além disso, as saídas das fontes de alimentação CC programáveis podem ser afetadas pelo ruído ambiental, que se somam a qualquer ruído inerente do sistema. Para reduzir os efeitos do ruído ambiental, é importante, sempre que possível, utilizar pares trançados blindados.

 

Tempo de subida e tempo de estabilização

O tempo de subida e o tempo de estabilização são indicadores importantes para mostrar a capacidade da fonte de alimentação de atingir o nível de tensão desejado e se estabilizar nesse nível. O tempo de subida é o tempo necessário para que a saída passe de 10% a 90% da saída configurada. O tempo de estabilização é o tempo necessário para que um canal de saída se estabilize dentro de uma porcentagem determinada de seu valor final, incluindo o tempo de subida. A Figura 6 mostra o tempo de subida e o tempo de estabilização da saída de uma fonte de alimentação entre 0 V e 10 V.

 

Figura 6. O tempo de subida e o tempo de estabilização são indicadores importantes para mostrar a capacidade da fonte de alimentação de atingir o nível de tensão desejado e se estabilizar nesse nível.

 

O tempo de subida e o tempo de estabilização são especificações importantes de uma fonte de alimentação, porque podem afetar diretamente o tempo da medição, exigindo tempo extra para que o circuito se recupere de um transiente antes que você possa realizar a próxima medição. O tempo de medição é especialmente importante em casos como os sistemas de teste automatizado, nos quais reduzir o tempo de medição pode também reduzir o seu custo geral.

 

Resposta a transientes

Uma resposta a transientes tipicamente descreve a resposta de um sistema a uma mudança, a partir de uma situação de equilíbrio. Para fontes de alimentação CC, a resposta a transientes mostra como uma fonte de alimentação operando no modo de tensão constante responde a variações súbitas na corrente da carga. Alterações na corrente de carga, tais como um pulso de corrente, podem provocar grandes transientes de tensão, como mostrado na Figura 7. À medida que o circuito interno de controle da fonte de alimentação vai compensando a variação na corrente da carga, a tensão volta a se estabilizar no nível desejado. A resposta a transientes de uma fonte de alimentação especifica o tempo que leva para que a fonte se recupere após um transiente e volte a uma determinada porcentagem do ajuste de tensão. Tipicamente, a resposta a transientes é especificada como o intervalo de tempo necessário para essa recuperação ao ajuste de tensão após uma alteração de 50% na corrente de carga. Por exemplo, um dispositivo pode ser capaz de voltar a 0,1% do ajuste de tensão original em 50 µs após uma alteração de 50% na corrente de carga.

 

Figura 7. Resposta a transientes de um pulso de corrente

 

Se a resistência de seu DUT cair repentinamente, causando a ocorrência de um pulso de corrente, então o ponto mais baixo da tensão transiente ocorrerá antes que o circuito interno de controle da fonte de alimentação possa compensar a alteração na carga. De forma similar ao tempo de subida e tempo de estabilização, a especificação de resposta a transientes de uma fonte de alimentação é importante, porque pode afetar o tempo da medição.

 

Veja mais informações sobre a resposta a transientes e considerações sobre cargas na página de considerações sobre a regulação de linha e carga e conexões em cascata de fontes de alimentação.

 

Isolação

Isolação é uma separação física e elétrica de duas partes de um dispositivo de medição ou alimentação. A isolação elétrica está relacionada à eliminação dos percursos de terra entre dois sistemas elétricos. Com a isolação elétrica, você pode desfazer loops de terra, aumentar a faixa da fonte de alimentação no modo comum e deslocar o nível da referência de terra do sinal com relação ao terra de um sistema individual. As especificações de isolação de uma fonte de alimentação serão particularmente importantes se você estiver pensando em conectar as saídas de uma fonte de alimentação em cascata para ampliar as faixas de tensão e corrente, o que está descrito em maiores detalhes na página de  considerações sobre a regulação de linha e carga e a conexão em cascata de fontes de alimentação.

 

A topologia de isolação mais robusta é a isolação canal a canal. Nessa topologia, cada canal é isolado individualmente um do outro e de outros componentes não isolados do sistema. Além disso, cada canal tem a sua própria fonte de alimentação isolada. 

 

Resumo

  • Comumente utilizada em aplicações de pesquisa, projeto, desenvolvimento e produto, a fonte de alimentação CC programável é um instrumento que pode fornecer alimentação a um dispositivo conectado.
  • No modo fonte, a potência é gerada na fonte e dissipada no DUT. No modo dreno, a potência é gerada no DUT e dissipada na fonte.
  • As fontes de alimentação CC operam no quadrante I ou III. As SMUs trabalham em todos os 4 quadrantes.
  • As fontes de alimentação CC programáveis podem operar no modo de tensão constante ou corrente constante.
  • No modo de tensão constante, a fonte de alimentação se comporta como uma fonte de tensão, mantendo a tensão constante em seus terminais mesmo com alterações na saída de corrente.
  • No modo de corrente constante, a fonte de alimentação se comporta como uma fonte de corrente, mantendo a corrente constante mesmo com alterações na tensão de saída.
  • Se uma carga ultrapassar a resistência de compliance e passar do limite de corrente ou tensão, então a fonte de alimentação começará a operar no modo compliance.
  • A detecção remota é uma técnica de conexão a 4 fios que pode eliminar os efeitos da resistência nos fios.
  • O ripple é um tipo de ruído periódico introduzido pela retificação CA-CC exigida para converter a alimentação CA da rede elétrica aos níveis CC desejados.
  • O tempo de subida e o tempo de estabilização são indicadores importantes para mostrar a capacidade da fonte de alimentação de atingir o nível de tensão desejado e se estabilizar nesse nível.
  • A resposta a transientes mostra como uma fonte de alimentação operando no modo de tensão constante responde a variações súbitas na corrente da carga.
  • Com a isolação elétrica, você pode desfazer loops de terra, aumentar a faixa da fonte de alimentação no modo comum e deslocar o nível da referência de terra do sinal com relação ao terra de um sistema individual.

 

 

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Veja uma lista completa de tutoriais, na página principal de fundamentos dos instrumentos de medição .