Projeto de uma Fonte de Tensão Ajustável

Transcrição

1 Eletrônica Geral 1 Introdução Projeto de uma Fonte de Tensão Ajustável O projeto de uma fonte de tensão tem como principal objetivo o exercício de montagem prática, colocando o aluno face aos conceitos discutidos em sala de aula, além de resultar em uma importante ferramenta para o estudante, indispensável a seu laboratório de eletrônica particular. Com a montagem, o aluno terá condições de compreender a função de todos os componentes de uma fonte de tensão, além do comportamento do sinal elétrico em cada estágio. Diagrama em Blocos A figura abaixo mostra o diagrama em blocos do projeto. Mais adiante, veremos a forma de onda em cada uma dessas etapas. A entrada do circuito é a tensão alternada disponível no sistema elétrico urbano (110V ou 220V, ou em Taubaté 127V). A frequência do sinal de entrada é 60Hz, que é a frequência adotada no Brasil. Outros países do continente sul-americano, como o Paraguai, adotam a frequência de 50Hz. O transformador é responsável por isolar o circuito da rede elétrica e também por abaixar a amplitude da tensão para o valor desejado (ou próximo dele), porém o sinal continua alternado. O bloco retificador converte a tensão alternada do secundário em contínua pulsante, o que ainda é impróprio para alimentar alguns tipos de circuito. O filtro capacitivo, então, diminui a variação dessa tensão, deixando o sinal mais próximo do desejado, apresentando uma pequena variação da tensão na crista da onda, chamada de ripple. Quanto maior o valor da capacitância, menor será a variação ripple.

2 Eletrônica Geral 2 Lista de Materiais Legenda Código Descrição Qtd Ilustração P1 Plugue Plugue para Tomada Padrão ABNT 1 CB1 Cabo paralelo Cabo elétrico paralelo Ǿ 1,5mm 2m S1 Chave Interruptor Comum 250V 2A 1 S2 Chave Chave de seleção 110/220V 1 SF1 - Suporte para Fusível 1 F1 Fusível Fusível de Vidro 1A 1 T1 Trafo 12V Transformador com enrolamento primário de 110V/220V e enrolamento secundário de 12V (ou 6+6V) e corrente de 1A ou mais 1 D1 ~ D4 1N4002 Diodo retificador 1N4002 ou equivalente 4 C1 1000µF/25V Capacitor Eletrolítico 1 C2 10µF/25V Capacitor Eletrolítico 1 C3 100µF/25V Capacitor Eletrolítico 1 R1 R2 2k2Ω x 1/8W 220Ω x 1/8W Resistor 1 Resistor 1 P1 Pot 4k7 Ω Potenciômetro 1 Q1 TIP41 Transistor NPN 1 Z1 12,6V x 400mW Diodo Zener 1

3 Eletrônica Geral 3 LED1 LED VM LED vermelho redondo 3mm 1 V1 0~12V Bornes - Caixa - Voltímetro 0 a 12V (sugestão é comprar um mini multímetro de R$10,00) Par de Bornes fêmea para plugue banana preto e vermelho Caixa plástica 7x10x15cm (aprox.) para acomodar a montagem 1 1 par 1 PCI - Placa de Circuito Impresso virgem 5x5cm 1 Parafusos - Parafusos com porcas para fixação do transformador e da PCI 6 Dissipador de Calor - Dissipador (ou radiador) de calor para transistor TO Esquema Elétrico O esquema elétrico foi desenhado utilizando o software gratuito ExpressSCH (SCH é a sigla para schematics, que significa esquema elétrico em inglês), que pode ser facilmente encontrado na internet. Temos então no circuito uma fonte de tensão alternada (proveniente da tomada) e então S1 que é a chave geral do circuito, ligando ou desligando a fonte. Logo após temos F1, que é um fusível de vidro, com a função de proteger o primário do transformador em caso de sobre-corrente, ou seja, ele abre o circuito se a corrente circulante superar o limite estabelecido. Quando o fusível abre, deve ser constatada a causa da falha e então substituir o fusível, pois o antigo não tem conserto. O outro terminal do fusível é então ligado ao primário do transformador. Partindo do segundo terminal da fonte de tensão alternada, temos a chave S2, cujo a função é selecionar qual o tape receberá a tensão da rede elétrica, ou seja, 110V ou 220V.

4 Eletrônica Geral 4 A partir do secundário do transformador temos o conjunto de quatro diodos (D1 a D4) formando a ponte retificadora, que disponibiliza a tensão contínua pulsante. Essa tensão então chega aos terminais do capacitor C1 que filtra o sinal, deixando-o mais estabilizado. O conjunto formado por R1 e LED1 serve apenas para indicar que a fonte de tensão está ligada. O diodo zener Z1 juntamente com o resistor R2 e o potenciômetro P1, ajusta a tensão na base do transistor Q1. Essa tensão é filtrada pelo capacitor C2. Assim, o transistor vai conduzir de coletor da emissor somente o permitido pela tensão da base. O capacitor C3 filtra o sinal de saída mais uma vez, e disponibiliza para a saída através dos bornes. O Voltímetro está em paralelo com a saída para mostrar a tensão ao usuário. Essa tensão nos bornes poderá ser de 0 a 12V conforme ajuste do potenciômetro. Existe a possibilidade de montar um voltímetro digital para apresentar a tensão de saída, como é explicado no final desse material. Leiaute (Lay-out) da Placa de Circuito Impresso O leiaute (isso mesmo, é assim que se escreve em português) aqui apresentado é bastante compacto, e foi desenvolvido através do programa ExpressPCB. Note que os componentes até o transformador não se incluem no leiaute. A placa de circuito impresso já receberá o sinal alternado do secundário do transformador, para então realizar o tratamento do sinal. A próxima imagem mostra as bordas da placa de circuito impresso de 5x5cm em cor preta. As trilhas em cor verde estão do lado de baixo da placa, enquanto os componentes em azul são mostrados no lado superior da placa. Nas quatro extremidades estão os furos para fixação da placa na caixa plástica através de parafusos ou outro tipo de suporte. Pode-se ver em azul a posição e polaridade dos componentes. Em uma placa profissional, essa marcação seria chamada de silk, e nada mais é que uma pintura sobre o lado dos componentes da placa. No nosso caso nós não faremos a impressão do silk por falta de recursos, mas ainda assim ele é importante para sabermos a posição dos componentes durante a montagem.

5 Eletrônica Geral 5 As ilhas são os pontos vermelhos, também chamados de pads, que são onde os componentes devem ser soldados. As marcações na cor verde representam as trilhas que estão do lado cobreado da placa, ou seja, o lado oposto ao dos componentes. É chamado de Bottom Layer ou Camada Inferior. Quando estamos trabalhando com placas dupla face, existe também a Top Layer que é a camada de trilhas que fica do mesmo lado dos componentes, e é representado pela cor vermelha. Existem ainda placas com múltiplas camadas de trilhas (possuem camadas no interior da placa), chamadas Multi-layers boards. Top. A figura seguinte exibe o posicionamento dos componentes, observando-se o lado A figura abaixo mostra o leiaute da placa, observando-se o lado Bottom, ou seja, já é o lado das trilhas. É esse desenho que se deve utilizar para a confecção da placa de circuito impresso (PCI, ou PCB do inglês Printed Circuit Board). Agora deve-se tomar muito cuidado ao escolher o método de transferência do leiaute para a sua PCI. Dependendo do método utilizado, será necessário inverter o desenho. Se escolhermos o método de desenhar as trilhas com caneta de retroprojetor, nenhuma alteração será necessária, mas se desejarmos executar a transferência térmica utilizando papel Gloss, aí sim devemos realizar a inversão da imagem do leiaute. Para esses casos, segue abaixo.

6 Eletrônica Geral 6 Atenção! Esse leiaute está invertido para transferência térmica. Lembre-se sempre de executar a limpeza da placa com palha de aço limpa e seca antes de iniciar a transferência do desenho, independentemente do método escolhido, caso contrário haverá o risco de a trilha se soltar durante o mergulho no percloreto de ferro, comprometendo o seu projeto. Após a transferência do desenho para a PCI, imersão no banho de percloreto de ferro e limpeza das trilhas, lembre de secar a sua placa muito bem e de novamente realizar a limpeza com palha de aço seca, para remover qualquer início de oxidação da placa. Após esse processo, evite colocar a mão na parte cobreada da placa, pois isso reiniciará o processo de oxidação devido à umidade e salinidade presente em mãos humanas. Inicie a montagem dos componentes na placa começando por aqueles mais baixos seguido de sua respectiva solda. Após ter soldado os componentes mais baixos (resistores e diodos), vá para os mais altos e por fim solde os fios elétricos do transformador e dos bornes de saída. Lembre-se que uma boa solda é aquela executada encostando-se o ferro de solda ao mesmo tempo no terminal, ilha e estanho. Desencoste primeiro o estanho e depois o ferro de solda. Não coloque estanho em excesso e nem permaneça com o ferro de solda no mesmo ponto por mais de 2 segundos. Lembre-se também de trabalhar com segurança ao executar a solda. O ideal é sempre trabalhar utilizando os óculos de segurança, para evitar qualquer acidente. Leia o arquivo Dicas de Soldagem disponível no site Com a montagem da placa finalizada, é hora de fazer a montagem mecânica do projeto, realizando-se os furos e rasgos necessários à fixação dos dispositivos dentro da caixa. O ideal é que a chave seletora 110/220V, o porta fusíveis e a entrada da tomada sejam dispostos na traseira da caixa, enquanto os bornes, o LED, o potenciômetro, o voltímetro e a chave liga/desliga devem ser dispostos para a frente. Finalizada a montagem, é hora de testar a sua nova fonte de alimentação e anotar as formas de onda em cada etapa do circuito com a ajuda de um Osciloscópio. Mãos à obra.

7 Eletrônica Geral 7 Uma opção para o voltímetro pode ser a montagem de uma placa de circuito do voltímetro digital utilizando o CI ICL7107. O circuito pode ser encontrado no site abaixo:

8 Eletrônica Geral 8 Componentes R1 = 180k R2 = 22k R3 = 1,2k (ver nota) R4 = 1M R5 = 470k R6 = 560 C1 = 100pF C2 = 100nF C3 = 47nF C4 = 10nF C5 = 220nF P1 = 20k Trimpot U1 = ICL 7107 LD1,2,3,4 = Display 7 segmentos ânodo comum Nota- R3 ( escala voltímetro) 0-20 V.R3 = 1.2K V R3 = 12K V..R3 = 120K Referências Bibliográficas: BRAGA, Newton C. - Curso Prático de Eletrônica. Editora Saber, 1995 MALVINO, Albert Paul Eletrônica. Mcgraw Hill acessado em 12/outubro/2011.