A prática no combate ao ruído das fontes chaveadas

            PROLEGÔMENOS

          Coloca-se aqui algumas possíveis soluções para diminuir o nível de ruído gerado e propagado por fontes comerciais chinesas, popularmente conhecidas como “marmitinha”, largamente empregadas por rádio amadores em seus experimentos.

            Estas fontes tem preço extremamente acessível e performance ótima, no que se refere a regulação de tensão e capacidade de fornecimento de corrente. Uma fonte 12VCC por 50 amperes tem preço equivalente ao preço de um conjunto de capacitores empregados no retificador de uma fonte linear convencional, empregando transformador.

            Apesar dos preconceitos relativos às fontes chaveadas, com relação ao ruído gerado, seu desempenho pode ser melhorado pelo acréscimo de poucos componentes.

            Para a compreensão dos termos e ideias aqui apresentadas, recomenda-se fortemente a leitura do artigo técnico sobre ruído em fontes chaveadas, antes da progressão na leitura deste texto.

            Nenhuma das sugestões aqui apresentada pode ser considerada como a solução definitiva para os problemas, muito menos como a panaceia milagrosa para estes inconvenientes. Tão pouco são, tecnicamente, as melhores soluções, mas funcionam relativamente bem.

            Longe da preocupação com autopromoção, serão apresentadas algumas experiências, que todo radioamador experimentar costuma realizar, no estilo “dead bug” (algo parecido com um inseto esmagado, ou montagem tipo aranha). Alguns poderão criticar o estilo feioso de algumas montagens experimentais. Afirmo que fazem parte do desenvolvimento desta ideia, caminhos pelos quais devemos passar, para evoluir no aprendizado.

           Com relação às placas das fontes, devido a enorme quantidade de fornecedores chineses, diferenças são prováveis, dependendo de fornecedor. O experimentador deverá adaptar as modificações à sua realidade.

            Em minhas experiências, reparei que as fontes de 12v 50A menos problemáticas são as que tem o ventilador instalado em sua tampa superior. As adquiridas com ventilador instalado na tampa traseira foram impossíveis de por em trabalho no rádio, devido a enorme quantidade de ruído produzido. Isto não é uma verdade absoluta, mas fruto de minha experimentação.

            Caso algum dos leitores se sinta ofendido pelas montagens amadoras, pouco preocupadas com o que filosoficamente poderíamos chamar de “estética”, poderia sugerir que deixasse de lado o transtorno obsessivo compulsivo, preocupando-se com as ideias e teorias apresentadas, executando suas perfeitas montagens posteriormente. A estes, sugiro que também se dediquem a divulgar suas soluções, se não pelo nobre motivo de agregar conhecimento à falange de experimentadores, para a autopromoção de sua perfeição.

            Então devo ser sincero, externando que estou pouco me importando com os resultados estéticos e com o resultado provocado em algumas mentes, obcecadas com a inatingível perfeição.

           As montagens “dead bug” foram realizadas para uso próprio, não comercial, visando testar conceitos. E para este intento foram muito eficazes. 73.

 

 

 

 MODIFICAÇÃO MÍNIMA DAS “MARMITINHAS”.

            Conforme já discutido no artigo técnico referenciado, sobre o ruído em fontes chaveadas, boa parte dos ruídos que perturbam os operadores de rádio, é conduzido para fora das fontes pelos terminais de alimentação CA e pelos de saída de tensão CC. O artigo refere também a não instalação de diversos componentes, por economia do fabricante, destinados à supressão destes ruídos.

            Na figura 01 observa-se a placa de uma fonte “marmitinha”, comprada num site de comércio eletrônico. Pode-se observar o capacitor “C8”,na entrada de CA, conectado entre fase e neutro, seguido do indutor “LF1”, em série com fase e neutro,  e do capacitor “C12” na saída do indutor, conectado entre neutro e terra. Também é possível observar que os capacitores “C14” e “C15”, respectivamente conectados entre fase e terra e entre fase e neutro, foram suprimidos. No circuito de saída de CC, ao lado dos capacitores eletrolíticos pode-se observar o capacitor “C3”, conectado entre negativo e terra. O projetista, provavelmente pensou que os capacitores eletrolíticos são eficazes na supressão dos ruídos de alta frequência, entre positivo e negativo. Sabe-se, entretanto, que capacitores eletrolíticos, por seu método de construção, apresentam elevada indutância parasita, não sendo eficazes em frequências elevadas.

Fig. 01: Placa de uma fonte “marmitinha”.

Fonte: o autor.

 

 

            A forma mais simples de diminuir estes efeitos, para o experimentador pouco afeito as montagens eletrônicas e uso de ferro de solda, é a instalação externa, nos terminais, de capacitores que conectem todos terminais com o terra, e que conectem fase com neutro e positivo com negativo, conforme as figuras 02 e 03.

Fig. 02: Diagrama de conexão de capacitores nos terminais de uma fonte “marmitinha”.

Fonte: o autor.

Fig. 03: Conexão física de capacitores nos terminais de uma fonte “marmitinha”.

Fonte: o autor.

 

 

            Para os mais acostumados com modificações, os acréscimos podem ser feitos na placa, deixando a “marmitinha” com cara de original.

            Neste modelo específico, o capacitor entre positivo e negativo “C3” foi suprimido pelo fabricante. Assim é fácil instalar um em seu lugar, conforme a figura 04.

Fig. 04: Instalação do capacitor entre positivo e negativo, no local existente na placa.

Fonte: o autor.

 

            O capacitor entre positivo e terra foi instalado no furo para “R5” e soldado ao terminal de terra do capacitor “C3”, conforme demonstrado na figura 05.

Fig. 05: Instalação do capacitor entre positivo e terra.

Fonte: o autor.

            No lado de entrada de CA, o fabricante disponibilizou local para instalação de capacitores na saída do filtro, porém só instalou um capacitor entre neutro e terra (C12), figura 06.

Fig. 06: Capacitor original entre neutro e terra.

Fonte: o autor.

            Por uma questão de simetria no circuito, o capacitor original foi removido e novos capacitores foram instalados nas posições disponíveis, figura 07. È importante que se utilize capacitores específicos para CA (assim marcados) ou capacitores com isolação acima de 1000 V. Em “C14” e “C12” foram instalados capacitores de 4n7 1000V e em “C15” um capacitor de 47n 630V. Em outro tipo de placa, uma nova furação foi realizada para a instalação do capacitor entre fase e neutro, figura 08

 

Fig. 07: Instalação do capacitor entre fase e neutro, e entre estes e terra.

Fonte: o autor.

 

Fig. 08: Instalação do capacitor entre fase e neutro, e entre estes e terra, em outro tipo de placa.

Fonte: o autor.

 

            Na entrada do filtro, o fabricante instalou um capacitor (quadrado azul), um varistor (redondo azul) e um resistor entre fase e neutro, figura 09. Por falta de espaço, os capacitores entre fase e terra e entre neutro e terra,  de 3n3 1000V, foram instalados na parte inferior da placa de circuito impresso, figura 10. Pode-se verificar que o projetista "isolou" a entrada, circulando o circuito com uma trilha de terra. 

Fig. 09: Capacitor entre fase e neutro, instalado pelo fabricante.

Fonte: o autor.

Fig. 10: Instalação dos capacitores de fase e neutro para terra.

Fonte: o autor.

 

            Como prevenir é melhor que remediar, e como todos fabricantes representam um dissipador mas não o instalam,  um dissipador é acrescentado na ponte retificadora, figura 11.

 

Fig. 11: Colocação de dissipador na ponte retificadora. 

Fonte: o autor.

 

            Normalmente as fontes vem de fábrica ajustadas para uma tensão de saída de 12VCC, podendo ser alterada pelo ajuste do trimpot "VR1" instalado ao lado dos terminais de conexão, figura 12.

Fig. 12: Trimpot para ajuste de tensão de saída.

Fonte: o autor.

            Algumas fontes atingem os desejados 13,8VCC, sem problemas, e algumas chegam até a 15VCC. Porém, alguns projetos não excedem os 13VCC, nestes casos deve-se verificar qual dos resistores próximos está em série com o trimpot. Normalmente este resistor tem valor de poucos kilo ohms, basta associar um resistor pouco maior, em paralelo com ele. Na figura 12 é um resistor de 1k8 "R40" e a associação seria de um resistor de 10k, em paralelo. Deve-se ter o cuidado de não exceder 15 volts, pois na maioria destas fontes os capacitores eletrolíticos, na saída de CC, tem tensão máxima de 16VCC. Deve-se verificar a tensão de isolação antes da modificação.

            A figura 13 mostra o modelo de placa com três resistores junto ao trimpot, pela parte inferior. Em “a” e “b” estão as conexões de terra do trimpot e em “c” seu outro terminal. A trilha conecta “c” ao resistor do meio em “d”, e o outro terminal do resistor está em “e”. Deste ponto, uma amostra de tensão de saída vai para o controlador da fonte. Quanto maior a tensão enviada para o controlador, maior a tensão de saída. Diminuindo o valor deste resistor, a fonte aumenta a máxima tensão de saída. Pode-se substituir este resistor ou adicionar um outro resistor de maior valor, em paralelo. Um resistor de 10k ohm é um bom ponto de início para os testes de valor. 

 

Fig. 13: Parte inferior da placa, junto ao trimpot .

Fonte: o autor.

 

         Em alguns projetos pode-se utilizar um potenciômetro no lugar do trimpot, transformando a fonte em uma fonte ajustável a partir do painel onde é instalada. Neste tipo de placa o resistor que está em série com o trimpot “VR1” é o resistor “R40”, e a ele foi adicionado um resistor de 4700 ohms, além da instalação de um potenciômetro de mesmo valor de “VR1”. Em paralelo com os fios de conexão, um capacitor de 1n foi adicionado. A finalidade deste capacitor é evitar a captação de RF, que poderia interferir no circuito de controle de tensão, uma vez que a fonte foi utilizada em um amplificador linear de HF de 800W. As modificações podem ser vistas na figura 14.

Fig. 14:Troca do trimpot para ajuste de tensão por um potenciômetro e adição do resistor em paralelo, visando o aumento da tensão de saída.

Fonte: o autor.

            Em outros projetos existem três resistores junto ao trimpot, e no caso apresentado na figura 15, um resistor de 10k foi colocado em paralelo com o resistor de 1k5 “R40”, proporcionando a variação de tensão desejada.

Fig. 15: Adição do resistor em paralelo, visando o aumento da tensão de saída.

Fonte: o autor.

            A figura 16 mostra o resistor limitador em uma placa com componentes SMD. O resistor limitador está apontado por uma seta preta, e neste caso foi substituído por um de menor valor. Logo abaixo dele pode-se observar os três terminais do trimpot, um deles está sem estanho pois foi substituído por um potenciômetro.

Fig. 16: Resistor limitador substituído em uma placa SMD, para aumento da tensão de saída.

Fonte: o autor.

 

            Deve-se ensaiar a fonte após a modificação, com carga, para garantir que os níveis de tensão desejados sejam atingidos e mantidos. Na fonte da figura 13, em vazio, a tensão máxima atingia valores acima dos 20VCC, porém quando submetida a carga elevada a tensão caia para 15VCC. O resistor em paralelo com “R40” foi aumentado em seu valor para que a tensão máxima se mantivesse dentro dos 15VCC.

            O mesmo deve ser feito quando se busca tensão de saída mais baixa que a tensão nominal. Nas fontes de 12VCC a tensão mínima costuma ficar na casa de 8 a 9 VCC.

 

 

 

 

CONSTRUÇÃO DE FILTROS EXTERNOS PARA AS FONTES

 

            Além das modificações mínimas, acima descritas, a instalação da fonte dentro de outra caixa metálica e a instalação de filtros externos, ajudam na redução de ruídos gerados pelas fontes do tipo “marmitinha”.

            O circuito de filtros que costumo utilizar, na entrada de CA e na saída de CC das fontes tipo “marmitinha”, está representado na figura 15.

Fig. 17: Circuito dos filtros utilizados na filtragem de fontes.

Fonte: o autor.

            Uma das dificuldades na construção destes filtros é a obtenção de núcleos toroidais. Além de sites de mercado online, a busca em sucatas é uma ótima alternativa. A compra direta de empresas que os comercializam é dificultada pelo alto valor de faturamento mínimo, imposto por elas.

           Deve-se recordar a recomendação de leitura do artigo teórico sobre estes filtros, disponível aqui. Ali se afirma que se deve utilizar núcleos de alta permeabilidade para os indutores de filtros Z e baixa permeabilidade para os filtros “pi”, “l”, “t”, etc...

               Uma possível fonte destes componentes é a sucata, e devo confessar que é uma de minhas maiores fontes. Naqueles amplificadores automotivos digitais modernos (que na minha opinião deveriam ser proibidos), encontram-se indutores grandes, de alta corrente, que são excelente fonte de núcleos de alta permeabilidade. Normalmente estes núcleos são da cor verde ou preta. Fontes de computador desktop tem em sua fonte, filtros de saída de tensão que utilizam indutores com núcleos de baixa permeabilidade, normalmente da cor amarela e branca.

         Fontes de televisores, som residencial, equipamentos de informática, no-break, estabilizadores, fontes chaveadas, todos são ótimas fontes de material para experimentação. Na figura 18 pode-se observar o indutor de filtro Z, utilizado num som residencial, a corrente máxima suportada é baixa, de cerca de 2A. Porém, 2 A em 220VC são 440W, o que uma potência razoável.

Fig. 18: Filtro Z, utilizado num som residencial.

Fonte: o autor.

        Empresas que prestam manutenção em amplificadores de uso automotivo podem ter alguns núcleos para reposição, ou em sua sucata. Em uma eletrônica local (Eletrônica BG) os núcleos apresentados na figura 19 estavam disponíveis.

Fig. 19: Núcleos disponíveis em uma empresa local.

Fonte: o autor

            Algumas fontes de computador, de boa origem, podem ter filtros de CA instalados, como a da figura 20. O transformador marcado como “NF25” é excelente para ser utilizado no filtro de entrada de CA e a sua direita aparece um indutor de um filtro Z. A referida fonte é de 750W, o que representa quase 7 amperes em 110V, possibilitando seu uso em uma fonte 13,8V 50A.

Fig. 20: Filtro e indutor Z na entrada CA de uma fonte de computador desktop.

Fonte: o autor

 

            Na figura 21 observa-se uma excelente fonte de computador desk-top. No conector do cabo de alimentação encontra-se um capacitor entre fase e neutro (branco, no canto superior esquerdo) e dois capacitores entre fase e terra e entre neutro e terra (azuis, tipo disco). Os fios que ligam o conector à placa apresentam um filtro “Z” coberto por termo-retrátil. Na placa um indutor de filtro e outro tipo “Z”, além de todos capacitores associados. Esta  é uma excelente “fonte” de material para a montagem de filtro de CA para uma fonte “marmitinha”. O indutor feito com fio encapado pode ser utilizado na saída de CC, sem problema, desde que se utilize fio de bitola que suporte a corrente demandada.

Fig. 21: Fonte de computador desktop.

Fonte: o autor

            Uma voltinha em qualquer sucata, órgão de recolhimento de sucata eletroeletrônica, ou empresa de manutenção, pode render muitos núcleos coletados a bom preço.

Fig. 22: Núcleos coletados em sucata.

Fonte: o autor

 

Fig. 23: Núcleos coletados em sucata.

Fonte: o autor

 

            O enrolamento do indutor de um filtro Z é diferente, e o sentido de cada enrolamento deve ser respeitado, conforme as figuras 22 e 23.

 

Fig. 24: Enrolamento do indutor do filtro Z.

Fonte: Billings e Morey (2011, p.3.5).

Fig. 25: Enrolamento do indutor do filtro Z.

Fonte: o autor

        Com relação ao tamanho dos núcleos e bitolas de fios, sugiro utilizar o maior núcleo disponível e fio que suporte a corrente circulante. Em núcleos toroidais, fios grossos são difíceis de enrolar, devendo-se utilizar fios múltiplos em paralelo. Por exemplo, se a corrente circulante demanda fio de 2 mm de área, pode-se utilizar 2 fios de 1mm  de área, em paralelo. As correntes máximas para cada tipo de fio estão disponíveis na internet.

         Nos filtros em Z, recomenda-se manter distância entre os enrolamentos de cada polo do indutor.

       Sugere-se o uso de capacitores de cerâmica, sempre que possível. Os motivos estão explanados no artigo teórico referenciado. Para corrente alternada, recomenda-se capacitâncias de alguns nano Farhard e tensões de isolação acima dos 1000 volts. Para CC, uma dezena de nano Farhard e tensão duas vezes a tensão de trabalho, são suficientes.

        Para os indutores, recomenda-se utilizar o maior número de espiras possíveis. Os cálculos de frequência de corte, estão longe do escopo deste informativo. 

        Algumas fontes possuem um filtro blindado em seu conector de entrada de rede CA. Estes filtros tem excelente performance, e seu uso é encorajado. Uma imagem destes filtros pode ser vista na figura 26.

Fig. 26: Filtro blindado para CA.

Fonte: o autor

       A seguir, apresentam-se algumas montagens, em ordem cronológica, de filtros de entrada de CA. As montagens iniciais foram do tipo “dead bug”, ou aranha, para experimentação. Estas montagens, que devem tirar o sono de perfeccionistas possuidores de T.O.C., continuam funcionais até hoje, cumprindo sua função.

Fig. 27: Filtro de entrada de CA utilizado em uma fonte 13,8V x 10A.

Fonte: o autor

 

Fig. 28: Filtro de entrada de CA utilizado em uma fonte 13,8V x 30A.

Fonte: o autor

 

Fig. 29: Filtro de entrada de CA utilizado em uma fonte 13,8V x 30A.

Fonte: o autor

 

Fig. 30: Filtro de entrada de CA utilizado em uma fonte 15V x 50A,para um amplificador linear.

Fonte: o autor

 

         Na montagem de um amplificador linear para HF, utilizando 4 Fets IRF150N, utilizaram-se duas fontes. As entradas estão conectadas em paralelo e as saídas estão conectadas em série, proporcionando tensões de saída que variam de 16VCC a 30VCC.

 

Fig. 31: Filtro de entrada de CA de um amplificador linear com duas fontes.

Fonte: o autor

 

Fig. 32: Placa de circuito impresso do filtro de entrada de CA, de um amplificador linear com duas fontes.

Fonte: o autor

 

            Os filtros de saída de tensão de CC demandam condutores com maior diâmetro, devido a corrente circulante. Isto implica, também, em núcleos maiores para acomodar os condutores. Os filtros apresentam diferenças entre si, pois os conceitos foram sendo testados e os componentes não estão prontamente disponíveis no mercado, demandando o uso de sucata e adaptação ao que estava disponível. Este é o caminho do conhecer, testar, adaptar e evoluir.

 

Fig. 33: Filtro de saída de CC, montagem aranha, utilizado em uma fonte 13,8V x 30A.

Fonte: o autor

 

Fig. 34: Filtro de saída de CC, utilizado em uma fonte 15V x 50A.

Fonte: o autor

 

Fig. 35: Filtro de saída de CC, utilizado em um amplificador linear com duas fontes.

Fonte: o autor

 

Fig. 36: Placa de circuito impresso do filtro de saída de CC, de um amplificador linear com duas fontes. 

Fonte: o autor

 

          Em outro amplificador linear para HF, utilizando 4 Fets IRF150N, que foi reformado, o montador utilizou duas fontes de 24VCC, cada uma alimentando meio amplificador. O filtro de saída foi desenvolvido para se adaptar a montagem.

 

Fig. 37: Indutores para o filtro de saída de CC,  utilizado em um amplificador linear com duas fontes de 24VCC.

Fonte: o autor

 

Fig. 38: Filtro de saída de CC, utilizado em um amplificador linear com duas fontes 24VCC.

Fonte: o autor

 

Fig. 39: Placa de circuito impresso do filtro de saída de CC, de um amplificador linear com duas fontes 24VCC. 

Fonte: o autor

 

 

 

CONCLUSÃO         

          Neste pequeno texto de caráter prático, buscou-se trazer a experiência do experimentador, em seu caminho pela de busca da solução para os ruídos gerados por fontes chaveadas.

                      Cabe ao experimentador aproveitar as informações, buscar por outras de origem distinta, construindo seu próprio saber.   Deseja-se profundamente estimular os demais adeptos da confraria do ferro de solda a divulgar suas descobertas e experiências.

                   Forte 73 a todos, de PY3JHC Jean.