No-Break - Curso Completo de Manutenção

No-Break - Curso Completo de Manutenção

(Parte 1 de 4)

- Considerações Inicias -

Paralelo ao estrondoso crescimento da informática, com microcomputadores cada vez mais velozes e sofisticados, está crescendo o comércio e a assistência técnica de No-Breaks.

O No-Break, conhecido também como UPS - Uninterruptable Power

Supply (Fonte de Alimentação Ininterrupta) é um aparelho que trabalha como gerenciador estratégico de energia. Quando a rede elétrica falha, o equipamento fornece energia para o computador.

Em épocas de chuvas, o No-Break passa a ser um equipamento de extrema importância. Enquanto o estabilizador de voltagem corrige a tensão elétrica, o NO-BREAK produz corrente, além de desempenhar o papel de estabilizador e filtro.

Para compreender seu funcionamento, é necessário conhecer os princípios básicos de uma fonte de alimentação, fonte chaveada e circuitos digitais de controle. Todos estes serão apresentados neste livro.

Durante a elaboração desta obra, voltamos a nossa atenção ao profissional de informática, que geralmente não está muito familiarizado com a eletrônica analógica, já que em informática, os conceitos de reparação diferentes pois trabalha-se com a lógica digital. Mas sabemos que grande parte dos problemas dos micros está na parte da alimentação, geralmente nos acessórios como o no-break.

Neste curso, pretendemos ensinar toda teoria de funcionamento, o suficiente para preparar os técnicos a repararem tais equipamentos. Para tornar este trabalho mais prático, incluímos diversos circuitos reais que poderão ser encontrados em alguns modelos comercializados atualmente.

Esperamos que todos os leoitores tirem pleno proveito desta obra e possam aplicar estes conhecimentos imediatamente na prática.

- Capítulo 1 - A finalidade do no-break em um sistema informatizado

Introdução

O No-Break, tecnicamente conhecido por UPS - Uninterruptable Power

Supply, tem como função principal o suprimento temporário de energia ao sistema, fazendo isso de forma automática em caso de falha na transmissão elétrica.

São usualmente ligados a equipamentos de informática como micros, impressoras, mainframes, etc.

De fato, quanto mais crítico for o abastecimento de energia elétrica, mais necessário é o No-Break.

O No-Break além de evitar que os usuários percam seus dados no caso de uma falha de energia, também protege o equipamento contra descargas estáticas e variações da rede elétrica, prolongando a vida útil do equipamento nele ligado.

Categorias

No-Break está dividido em 3 categorias: pode ser do tipo On-Line, Stand-

By ou Line-lnteractive. Assim como qualquer outro equipamento, a medida que se ampliam seus recursos, o preço também aumenta. Por exemplo, um modelo On- Line de 6 kVA de potência, pode custar mais de 8.0 dólares. Já um modelo Line-lnterativo pode custar cerca de 300 dólares.

É importante não confundir o No-Break com estabilizador de voltagem.

Enquanto o estabilizador de voltagem corrige a tensão elétrica, o No-Break produz corrente e também estabiliza e filtra a tensão.

Com respeito às categorias, as diferenças técnicas entre elas são: On Line: A rede só é alimentada pelas baterias (figura 1). Off Line ou Stand By: Alimentação pela rede elétrica, passando pela bateria em caso de queda (figura 2). Line-lnteractive (Linha Interativa): Trata-se de um meio-termo entre o tipo

Off Line e o On Line. Neste modelo, o inversor (dispositivo que converte a corrente contínua das baterias em corrente alternada), trabalha em paralelo com a rede, fornecendo parte da energia necessária. Em caso de falha, este No-Break assume a carga total da alimentação. A figura 3 ilustra este tipo.

O circuito verificador tem por função detetar o estado da energia elétrica, inclusive "prever" descargas estáticas.

O chaveamento é um dos maiores segredos do sucesso de um No-Break. Ele deve ser o mais rápido possível.

No caso do On-Line, o chaveamento nem existe, pois em nenhum momento haverá corte de energia, já que o equipamento é alimentado diretamente pela bateria.

Já os sistemas com chaveamento podem levar cerca de 5 mili-segundos.

Na prática, esse tempo de chaveamento não acarreta nenhum problema para o microcomputador, que retém seus dados com até 8 mili-segundos na transferência.

No-breaks inteligentes

O No-Break inteligente é aquele tipo comandado por Software. Ele envia para a tela do micro mensagens que alertam o usuário sobre o tempo restante da energia, possibilitando que o usuário feche os arquivos antes de extinguir por completo a carga da bateria. De acordo com a sofisticação do Software, o programa pode até emitir relatório sobre as últimas ocorrências de interrupção da rede elétrica e até mesmo apresentar um auto-diagnóstico.

Fig. 1 Fig. 2

Fig. 3

- Capítulo 2 - Diagrama em blocos do no-break

Introdução

Conforme vimos no capítulo anterior, o No-Break é um equipamento que deve suprir a falta de energia elétrica. Para isto, deve possuir uma bateria e a mesma deve ser recarregada automaticamente. Na figura 4 apresentamos o diagrama em blocos didático de um No-Break.

Retificador

O primeiro estágio é um circuito retificador que tem por funções alimentar o circuito inversor e alimentar a bateria.

Os diodos retificadores têm por função converter a corrente alternada em corrente contínua (figura 5). A curva da corrente alternada, ilustrada na figura 6, possui ora o pico positivo, ora o pico negativo.

Já na corrente contínua, o fluxo ocorre em um só setor, sem nenhuma mudança ou alternância de ciclo, como ilustra o gráfico da figura 7.

Os diodos retificadores são semicondutores de silício, convenientemente polarizados.

Fig. 4

Para uma melhor assimilação de todos estágios de um No-Break, vamos detalhar cada tema, iniciando pelos tipos de retificadores.

Em resumo, um diodo pode ser um retificador, bastando para isso polarizá-lo convenientemente.

Na figura 8 observamos este conceito: se o diodo (junção PN) estiver polarizado diretamente (+ no P e - no N), ele conduz e é, portanto, comparado a uma chave fechada.

Fig. 6 Fig. 5

Fig. 7

Se o diodo estiver polarizado inversamente (- no P e + no N), ele não conduz e é comparado a uma chave aberta.

De acordo com a forma em que o diodo (ou os diodos) é colocado no circuito, ele recebe diferentes nomes. Passaremos a analisá-los.

Retificador de meia-onda

Este é o circuito retificador mais simples - veja a figura 9. Ele é chamado de retificador de meia onda porque apenas meio ciclo da forma de onda CA de entrada é convertido em C na saída. O diodo permanece bloqueado (inativo) durante o outro meio ciclo de alternação.

Para melhor entendermos, vamos comentar um pouco sobre a corrente alternada. Nos reportaremos à figura 10.

Uma CA inverte a direção do fluxo periodicamente. As polaridades dos terminais de um gerador de CA se alteram periodicamente e uniformemente. Um ciclo é um deslocamento completo dos valores da voltagem.

Como nos mostra a figura 6, um ciclo da CA é completado quando a CA aumenta desde um valor zero, passando sem interrupção ao valor máximo positivo, indo ao valor zero, atingindo o valor máximo negativo e em seguida retornando ao zero.

O número de ciclos, passados sem interrupção num segundo, chama-se FREQUÊNCIA.

Fig. 8

Um ciclo é um conjunto completo de valores de voltagens, repetindo-se num circuito periodicamente.

A curva dos senos representa as variações de voltagem durante um ciclo.

Equivale a uma rotação de 360° de um gerador. Logo, meio ciclo equivale a metade, ou seja, 180°.

Retornando ao conceito do retificador de meia onda, percebemos que ele aproveita apenas metade da tensão CA, produzindo a forma de onda da figura 1- B. Com a inclusão do capacitor na saída do diodo, obtemos a forma de onda da figura 1-C.

Este circuito de meia onda é largamente utilizado, especialmente em receptores de rádio de baixo custo. Ele é o menos eficiente dos tipos de retificadores e gera muito ruído.

Fig. 10

Fig. 9

Retificador de onda completa

Na figura 12 temos um retificador de onda completa. Este, além de melhor do que o anterior, é usado em quase todos os aparelhos. São utilizados dois diodos para a retificação. Os ânodos são ligados às extremidades das metades opostas do secundário, com tomada central no transformador. Em qualquer instante, a voltagem em uma extremidade do secundário do transformador será de polaridade oposta à voltagem na outra extremidade. Para aproveitar estas duas polaridades, usamos a derivação central (CT) do enrolamento secundário, que deve ser aterrada.

Quando uma extremidade do enrolamento secundário estiver positiva, o diodo D-1 conduz e fornece corrente para RC (resistor de carga). Neste momento, D-2 está bloqueado. Meio ciclo depois, as polaridades do secundário serão invertidas, fazendo com que o diodo D-2 conduza justamente no instante em que D-1 ficou inativo. O resistor RC continua recebendo tensão contínua, só que agora via D-2. Assim, ambos os meios ciclos da forma de onda CA são retificados, reinterando o nome de "onda completa".

Fig. 1

Observamos que no retificador de onda completa, a frequência de pulsação da voltagem CA retificada é o dobro da frequência da CA da entrada, a saber, 120 Hz. Esta frequência de pulsação mais alta torna-se mais fácil de ser filtrada, função esta a ser feita pelo capacitor C (eletrolítico).

Em um circuito de onda completa com derivação central, cada metade do secundário deve fornecer uma voltagem CA igual à voltagem da saída C desejada. Portanto, o secundário deve ter o dobro da tensão C desejada. Por outro lado, cada metade do secundário precisa fornecer apenas metade da corrente C necessária para a carga.

Retificador em ponte

A figura 13 mostra o esquema básico deste circuito. A figura 14 apresenta suas formas de ondas. Trata-se de um circuito bastante eficiente, porém necessita de quatro diodos. Contudo, o secundário do transformador não necessita de derivação central e precisa fornecer aos diodos uma voltagem CA igual à voltagem C desejada.

No primeiro semiciclo da tensão no secundário, o ponto A estará num potencial positivo. Assim, no ânodo de D-1 temos polarização direta (potencial positivo) e no cátodo de D-4 também potencial positivo (polarização reversa). Analogamente, no ponto B, haverá um potencial negativo, sendo o ânodo de D-3 inversamente polarizado e o cátodo de D-2 diretamente polarizado. Lembrando que diodos inversamente polarizados correspondem a chaves abertas e diretamente polarizados a chaves fechadas.

Deste modo, podemos representar o circuito em ponte como mostra a figura 15, uma vez que D-3 e D-4 não estão conduzindo. Como podemos ver, apenas os diodos D-1 e D-2 conduzirão no primeiro semiciclo.

Fig. 12

No próximo semiciclo da tensão da rede, ocorrerá uma situação inversa, pois agora o ponto B estará num potencial positivo e o ponto A num potencial negativo. Teremos, neste caso, D-3 e D-1 inversamente polarizados e D-2 e D-4 diretamente polarizados. É como se os diodos D-3 e D-1 que estão inversamente polarizados não estivessem no circuito, ficando o mesmo equivalente à representação da figura 16. Como observamos, apenas os diodos D-3 e D-4 conduzirão no segundo semiciclo da tensão do secundário. Um transformador projetado para um retificador em ponte opera mais eficientemente do que um projetado para um circuito de onda completa com tomada central, e é um pouco menor para uma potência de saída equivalente.

Atualmente, há no momento circuitos retificadores de onda completa em ponte acondicionados num único invólucro. Nestes, na identificação dos terminais, o símbolo de senóide indica os terminais de entrada e os símbolos (+) e (-) indicam os terminais de saída.

Fig. 13 Fig. 14

Filtros

A função dos filtros em uma fonte de alimentação é transformar a tensão pulsada em contínua. Os filtros são formados por capacitores e indutores. Observe a figura 17. Esta é a saída de tensão de um retificador de onda completa. Ela é contínua, porém pulsante. A polaridade da tensão de saída não se inverte, porém há uma flutuação denominada fator de ripple. O fator de ripple é definido pela equação:

tensão contínua

R = valor eficaz da ondulação na saída x 100

A ondulação se deve a uma somatória de todas as harmónicas, que devem ser eliminadas após a retificação. Portanto, o circuito que elimina o ripple de saída do retificador denomina-se FILTRO. Um capacitor colocado na saída do diodo em meia onda apresenta a forma de onda da figura 18 onde:

TC = tempo de carga do capacitor; tempo em que o diodo conduz e fornece carga ao capacitor e resistor.

Fig. 15 Fig. 16

TD = tempo de descarga do capacitor; tempo em que o diodo não conduz e equivale ao instante em que o capacitor mantém a corrente na resistência de carga.

Sendo o circuito de onda completa, a ação do capacitor de filtragem será mais eficaz, como mostra a figura 19. Cada semiciclo equivale no cálculo de filtros a um pi (letra grega). Com o capacitor, o fator ripple é quase que totalmente eliminado.

Para aplicações que exigem uma melhor filtragem, utiliza-se outros elementos de filtragem. São eles:

Fig. 17 Fig. 18

1. Filtro LC: veja a figura 20. O indutor L ajuda a atenuar a ondulação que o capacitor não conseguir eliminar.

2. Filtro PI: veja a figura 21. Aqui dobrou-se a ação de filtragem por causa de dois capacitores. Este filtro elimina quase que 100% (cem por cento) o ripple.

Fig. 19 Fig. 20

Fig. 21

Diagrama em blocos do retificador

Basicamente, o retificador possui as seguintes etapas ou blocos:

1. Proteção (fusíveis) 2. Transformador de força 3. Retificação 4. Filtragem 5. Regulação

A PROTEÇÃO é feita com fusíveis que se interrompem a qualquer anomalia da rede. O TRANSFORMADOR deve abaixar a tensão ou elevá-la, de acordo com o valor necessário do aparelho a ser alimentado. O RETIFICADOR converte CA em C pulsante. O sistema de FILTRAGEM fornece uma C constante a partir da C pulsante. O circuito de REGULAÇÃO tem por função manter a voltagem de saída num determinado valor. Ele deve compensar automaticamente qualquer alteração de voltagem, a fim de manter a tensão de saída no valor necessário.

O elemento básico de um regulador é o diodo zener. O díodo zener é uma junção PN que foi especialmente dopada durante sua construção para que frente a uma polarização reversa operasse num nível que compensasse eventuais quedas de tensão. Se a voltagem de entrada do circuito regulador diminui, a voltagem no zener também diminui, provocando uma diminuição na corrente do zener. Para um acréscimo na voltagem de entrada, a corrente no zener é aumentada, provocando um acréscimo na corrente total do circuito. Logo, teremos uma queda de voltagem em RS (figura 2) elevando a tensão através do zener e, portanto, a carga é reduzida para a tensão de saída ideal. Todos os aparelhos eletrônicos que necessitam ter uma tensão bem estável, possuem na fonte um circuito de regulação com zener.

Baterias

As baterias formam a alternativa de energia durante a falha da rede. As baterias estacionárias são as mais indicadas para No-Break pois podem fornecer uma corrente de médio valor por um grande intervalo de tempo. As baterias de carro já são ao contrário: fornecem alta corrente mas suportam menos tempo. A vida útil de uma bateria está na qualidade da recarga. Daí a necessidade do circuito de chaveamento ser o melhor possível.

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