Entendendo uma fonte chaveada flyback auto-oscilante 
Autor: Quem somos. | Publicado: 2014-06-24T11:56:00-07:00

Primeiro vamos entender como funciona uma fonte chaveada Flyback auto-oscilante. Abaixo segue uma tela de simulação por software:


Apesar de ser um trafo, as bobinas são tratadas como indutores, pois trabalham como tal.




A forma de onda azul é a corrente no indutor primário.
A forma de onda vermelha é a tensão de dreno do mosfet.
A forma de onda verde é a corrente no indutor de saída.

Primeiro o indutor é carregado com a energia da rede elétrica. Para isso a chave eletrônica (Mosfet) liga e põe a rede elétrica retificada no indutor...Pulsa os 310V DC na bobina primária e ela vai carregando.
Conforme vai carregando, vai armazenando a energia na forma magnética no núcleo e a corrente vai subindo em linha reta, formando uma rampa, veja na onda azul.


Quando o mosfet desliga (Chave eletrônica), aquela energia que havia sido carregada anteriormente é liberada no secundário, veja na onda verde.

A forma de onda verde mostrada no print da simulação é a energia que estava armazenada na forma magnética em todo o núcleo sendo transferida para o capacitor de saída da fonte. O diodo de saída é especialmente polarizado para retificar apenas esta tensão reversa que a bobina libera ao ser desenergizada.
É a forma de onda da corrente no indutor de saída carregando o capacitor de saída.

Segue abaixo um esquema completo de uma fonte chaveada Flyback auto-oscilante para ser usado como base no projeto. Não falaremos sobre o circuito eletrônico, já que este pode ser facilmente redimensionado usando a lei de Ohms.







A fonte é tão simples que dispensa&nbsp;cálculos&nbsp;complexos, contudo é importante saber o tamanho do núcleo adequado à potência que será extraída.&nbsp;





Escolhe-se o tamanho do núcleo adequado à potência, da seguinte forma:

AeAw = 1,1(Pout * 10^4)/Kp*Kw*J*f*B)&nbsp;



Kp = 0,5&nbsp;

Kw = 0,5&nbsp;

J = 300&nbsp;

B = 0,3 para 20Khz;

B = 0,15 para 40khz;

B = 0,075 para 80khz....&nbsp;

f é a freqüência de chaveamento que foi escolhida.&nbsp;

Por exemplo:

20Khz, 30Khz, 40Khz...&nbsp;



Esta fórmula dará um valor em cm^4 que é produto da área da janela pela área da perna central do núcleo EE.&nbsp;

De posse destes valor, pode-se escolher um núcleo da Thornton NEE-IP6.



Outro exemplo de calculo tirado de um TCC:



Existe um cuidado especial com o Gap.

Deve ter um gap, que evita do núcleo saturar, mas o Gap não pode ser muito grande.





Quem dispõe de um osciloscópio, poderá levantar as curvas Hanna:&nbsp;

http://en.wikipedia.org/wiki/Hanna_curve

O levantamento das curvas Hanna ainda ajudará na determinação da potência de saída e da freqüência de oscilação.&nbsp;



Poderá seguir este tutorial:&nbsp;

https://docs.google.com/viewer?a=v&amp;pid=sites&amp;srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxlbGV0cm9udGVjY29tYnJ8Z3g6M2RjZDIwZTY4NDIxODgyNQ&nbsp;

Este tutorial ensina a levantar as curvas Hanna. Existem fotos com exemplos no tutorial.







Para quem não dispõe do osciloscópio, terá que encarar os cálculos, tais como os mostrados acima, que foram tirados de um TCC.







A fonte do esquema mostrado acima foi montada em um núcleo desconhecido, de medidas EE25/10/6:

O núcleo que foi utilizado já tinha o Gap na perna central.

No source do mosfet foi usado um resistor de filme metálico de 0,33, que conferiu uma rampa de 2 amperes de pico em cada pulso na bobina primária.



Foi enrolado 50 espiras no primário;

13 espiras na bobina de saída;

7 espiras na bobina de realimentação.

A fonte foi capaz de fornecer 3A numa saída de 13,2V. Praticamente 40 watts.&nbsp;



Após uns 20 minutos ligada, fornecendo 40W, foi percebido super aquecimento na bobina. com leve cheiro de verniz queimado. Por isso seguem algumas dicas:



1º Usar sempre fio 30AWG, depois calcular as perdas em watts baseado na resistência por metro deste fio.

Logo após decidir quantas unidades serão necessárias pôr em paralelo para poder fornecer a corrente que se escolheu.&nbsp;

O uso de fio 30, evita os cálculos referente a efeito pelicular (Skin effect em inglês), pois já é um fio bem fino, obrigando usar vários em paralelo, que evitará este efeito.&nbsp;



2º &nbsp;Mesmo que você não queira encarar as formulas, seguir pelo menos a fórmula que determina o tamanho do núcleo para a potência escolhida.&nbsp;



3º &nbsp;Nos testes práticos até 40W, 50 espiras no primário funcionaram corretamente.

Para esta faixa de potência, entre 50 a 100 espiras no primário irá funcionar bem, sem cálculos complexos.



A tensão de saída é dada pela relação de espiras. Porém não é a tensão da rede retificada e filtrada que é levada em conta.

É a tensão reversa da bobina primária que é levada em conta.



A tensão da bobina de realimentação tem que ser dimensionada para 20V de tensão direta (com base na tensão da rede retificada e filtrada), quando a fonte for alimentada em 100Vac.&nbsp;

Quando a fonte for alimentada em 240Vac, a tensão da bobina de realimentação não deverá passar de 45V.

Um detalhe é que a tensão reversa não muda. É sempre a mesma, estando a fonte alimentada em 100Vac ou em 240Vac, pois a tensão reversa é definida no&nbsp;Feedback, durante a estabilização.&nbsp;



Outra curiosidade é que se a malha de&nbsp;Feedback for aberta, a tensão de saída irá subir tendendo ao infinito, mas o mosfet explodirá rapidamente, pois logo a tensão reversa na entrada irá ultrapassar a tensão de trabalho do mosfet.



Exemplo da tensão reversa no primário:

Numa determinada fonte que tenha saída de 12V com 10 espiras na bobina de saída, terá 1,2V de tensão reversa por espira nesta bobina.

Daí para ter 120V de tensão reversa na bobina primária, precisaria de 100 espiras.

No nosso exemplo seria uma relação de espiras de 10/1.

Fontes Flybacks só retificam e mandam para a carga, a tensão reversa do trafo. Por isso é esta que tem que ser levada em conta, com exceção da bobina de realimentação, pois é a bobina que faz a realimentação positiva para iniciar a oscilação.



Seguindo este raciocínio...Um núcleo com 47 espiras no primário e 12 espiras no secundário, saída 14V, daria 54.8V de tensão reversa no primário.&nbsp;





É preciso ter uma atenção especial no dimensionamento desta tensão reversa, pois ela surge quando o mosfet desliga, e seu valor em amplitude se soma à tensão retificada da rede no dreno do mosfet. Daí o mosfet tem que suportar a tensão retificada da rede (310 VDC) mais a tensão reversa, e mais um pico de ressonância que surge, devido a dispersão magnética do trafo. Estas três tensões (Da rede, do pico e da tensão reversa) se somam durante o funcionamento da fonte e dão um valor total de tensão que o mosfet tem que suportar.



4º Por isso calcule a tensão reversa do primário entre 50 a no máximo 90V. Não mais que isso, pois exigirá mosfets com tensão de trabalho muito elevada, difíceis de encontrar no mercado.&nbsp;





Vejam abaixo:

Esta forma de onda foi tirada diretamente na bobina primária. Os pulsos inferiores é a tensão retificada e filtrada da rede que o mosfet chaveia na bobina primária.&nbsp;

A ponteira do osciloscópio foi posta na bobina de forma que a tensão inversa ficasse do lado positivo, para podermos visualizar melhor.

Observem que a tensão inversa está em torno de 60V. Mas existe um pico de ressonância que atinge 156V.







O valor da tensão do pico de ressonância pode ser reduzido, com um bom Snubber (ou diodo TVS) e fazendo as bobinas do trafo intercalando camas entre primário e secundário:&nbsp;

Metade do primário enrolados primeiro, Todo o secundário e bobina de realimentação enroladas no meio e o resto do primário enrolado por cima.

Isso diminui a indutância de dispersão magnética, fazendo as bobinas de saída aproveitarem melhor as linhas de campo magnética, o que faz escapar menos energia no primário. Consequentemente os picos de ressarcia diminuem.



O gap serve para evitar que o núcleo sature com facilidade, pois estes trafos de fonte flybacks, trabalham com corrente de magnetização bem elevada. Porém não deve abusar do gap, pois além da indutância ficar muito menor do que a esperada nas bobinas, a indutância de dispersão também aumenta, aumentando a amplitude do pico de ressonância.&nbsp;



Outros detalhes é a freqüência:

É um pouco complicado para determiná-la, mesmo quando se segue os cálculos de engenharia&nbsp;

Dependendo da indutância das bobinas, pode oscilar entre 30Khz a 200Khz.&nbsp;

Quanto menor a indutância das bobinas, maior será a freqüência de oscilação.



E por último, este tipo de fonte não tem controle PWM.&nbsp;

Vai sempre oscilar na potência máxima e interromper a oscilação quando o capacitor de saída da fonte atingir a tensão nominal.&nbsp;

Daí a fonte oscila para repor a carga perdida e pára. Segue neste&nbsp;ritmo, oscilando e parando,&nbsp;enquanto a fonte estiver ligada.



Vejam o print de uma simulação:

As barras azuis são na verdade trens de pulsos.&nbsp;

Cada barra azul é composta de vários pulsos, numa&nbsp;freqüência&nbsp;de 245Khz.



O gráfico verde é a tensão de saída da fonte. Mostra um ripple em razão da carga que está sendo alimentada. &nbsp;





Vejam que no início da oscilação, quando a fonte é ligada, o mosfet oscila maciçamente até que o capacitor de saída atinge 12V. Pára e volta oscilar após o capacitor ter descarregado um pouco. Após o capacitor ter se carregado, pára novamente. e segue neste ritmo.....&nbsp;

As vezes esta oscilação se dá na faixa audível. Por isso muitas vezes é necessário imobilizar as bobinas do trafo com resina, para evitar barulhos.





Vejam o vídeo de testes: