Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica 22

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica 22 1 Título Prática 1 - Fonte de Alimentação Regulável 2 Objetivos Desenvolvimento de uma fonte de alimentação regulável. 3 Fundamentos Teóricos As fontes de alimentação de bancada, reguláveis ou não, produzem uma tensão contínua em sua saída, a partir de uma tensão alternada de entrada, que é fornecida com uma frequência de 60 Hz pela concessionária de energia. A transformação da tensão CA em tensão CC ocorre através de vários passos executados por componentes específicos. Para a montagem da nossa fonte, iremos descrevendo os passos em conjunto com os componentes utilizados e realizando uma série de medidas com o osciloscópio para acompanhar a transformação da tensão. 3.1 Redução da Tensão da Rede Em nossa região, a concessionária de energia elétrica fornece uma tensão residencial em corrente alternada de 127 Vrms, o que corresponde à aproximadamente 180 Vp ou, 360 Vpp. É uma tensão inadequada para a alimentação dos circuitos eletrônicos, já que a alimentação destes se dá por fontes de corrente contínua. Para podermos utilizar esta tensão, será necessário inicialmente reduzir seu valor, através da utilização de um transformador abaixador. Existem no mercado diversos tipos de transformadores, sendo que seus principais parâmetros são: Tensão do Primário => Define a tensão de entrada, podendo ser de 127V, 220V ou ambas; Tensão do Secundário => Define a tensão de saída, sendo que possui diversos valores comerciais, ou também podem ser enrolados por encomenda; Corrente de Secundário => Define a máxima corrente que pode ser drenada no secundário do transformador; Número de Enrolamentos Secundários => Define quantos enrolamentos secundários o transformador possui, sendo geralmente igual a 1 ou a 2 secundários (idênticos em suas características). Existem transformadores especiais que possuem diversos secundários com características distintas. 3.2 Retificação Conforme mencionado, a tensão entregue pela rede elétrica possui uma frequência de 60 Hz e a tensão de saída da fonte é contínua, sendo necessária então uma etapa de retificação. Esta retificação será realizada através de diodos semicondutores. Existem dos tipos de retificação, que são: Retificação de Meia-onda => Aproveita somente um semiciclo do sinal alternado; Retificação de Onda Completa => Aproveita os dois semiciclos do sinal alternado. 3.3 Filtragem A forma de onda da saída dos retificadores não é uma tensão contínua pura, ou seja, ainda possui variações de tensão que devem ser evitadas. O uso de filtros capacitivos conectados em paralelo com a carga permite filtrar a tensão CC de saída do retificador que passa a ser praticamente constante. O capacitor se comporta como um circuito aberto para a componente CC da tensão de saída do retificador, que dessa maneira alimenta a carga. Já para as componentes alternadas presentes na tensão retificada, o capacitor se comporta como um curto-circuito (na realidade, uma baixa impedância) fornecendo um caminho alternativo, diferente da carga, para as componentes CA das correntes.

2 Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica Regulação Conforme observado no item anterior, apesar da onda sobre a carga ser praticamente contínua, existe ainda uma pequena ondulação de tensão, que é conhecida como ripple, que é, por sua vez, dependente da carga. Essa ondulação é responsável por diversas interferências e a única maneira de eliminá-la é através da regulagem de tensão. Um dos dispositivos utilizados para esta finalidade é o diodo Zener, que proporciona uma excelente referência de tensão, mantendo a tensão na carga fixa, independente da variação de tensão existente antes da etapa de regulação de tensão. 3.5 Variação da Tensão Para se conseguir a variação da tensão sobre a carga, pode-se adotar dois esquemas: Troca do diodo Zener; Inclusão de um Transistor e um Potenciômetro; A primeira possibilidade pode ser efetuada através de uma chave rotativa, mas apresenta o inconveniente de possuir valores discretos e baixa corrente de saída. A segunda opção é a mais utilizada, uma vez que o ajuste feito através de um potenciômetro proporciona uma variação linear da tensão e o transistor é capaz de fornecer uma corrente de saída maior do que na hipótese anterior. 4 Trabalho Preparatório Como trabalho preparatório, simule todos os circuitos contidos nas figuras de 1 a 7, obtendo as formas de ondas sobre a carga em cada um deles e preenchendo os valores simulados pedidos nas respectivas tabelas de cada circuito. Observação: Caso o software utilizado na simulação não possua um transformador com tomada central, este pode ser construído com duas fontes de tensão senoidais, ligadas em série, de forma a obter a defasagem entre os enrolamentos. 5 Execução 5.1 Características do Transformador 1. O transformador utilizado em no módulo Datapool de Eletrônica possui as seguintes características: Secundário 9+9V x 1A. Este tipo de transformador é chamado de transformador com Tomada (ou Tap) Central e possui dois secundários idênticos, conforme mostrado na Figura Para obter as características do secundário, conecte os dois canais do osciloscópio nas saídas do transformador e utilize a tomada central como referência. Preencha a Tabela 1 com os valores obtidos para cada secundário. Figura 1 Transformador do Módulo com Tomada Central.

3 Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica Retificação Tabela 1 Características do Transformador. Parâmetros Secundário 1 Secundário 2 Tensão de Pico Período da Tensão Retificação de Meia-onda 1. Monte o circuito da Figura 2 e varie o valor do resistor de carga conforme o indicado na Tabela 2; 2. Com o auxílio do osciloscópio preencha a Tabela 2. Figura 2 Retificador de Meia-onda. Tabela 2 Parâmetros do Retificador de Meia-onda Retificação de Onda Completa com Ponte Quando se deseja melhorar o desempenho da retificação, utiliza-se a retificação de onda completa. Quando o transformador não possuir a tomada central, a única opção é a utilização de uma ponte de diodos para a realização da retificação em onda completa. Esta ponte pode ser construída com quatro diodos ou pode ser utilizada uma ponte comercial. Procedimentos 1. Monte o circuito da Figura 3 e varie o valor do resistor de carga conforme o indicado na Tabela 3; 2. Com o auxílio do osciloscópio preencha a Tabela 3. Figura 3 Retificador de Onda Completa com Ponte.

4 Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica 25 Tabela 3 Parâmetros do Retificador em Onda Completa Retificador de Onda Completa com Transformador de Tomada Central Quando o transformador possuir a tomada central, pode-se construir um retificador de onda completa com apenas dois diodos, utilizando a tomada central como referência. 1. Monte o circuito da Figura 4 e varie o valor do resistor de carga conforme o indicado na Tabela 4; 2. Com o auxílio do osciloscópio preencha a Tabela 4. Figura 4 Retificador de Onda Completa com Tap Central. Tabela 4 - Parâmetros do Retificador em Onda Completa. 5.3 Filtragem 1. Monte o circuito da Figura 5 e varie o valor do resistor de carga e do capacitor de filtragem conforme o indicado na Tabela 5; 2. Com o auxílio do osciloscópio preencha a Tabela 5; Figura 5 Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo.

5 Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica 26 Tabela 5 Parâmetros Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo. na Carga Tensão Máxima (Vsmáx) Tensão Mínima (Vsmín) na Carga Tensão Máxima (Vsmáx) Tensão Mínima (Vsmín) Valores Simulação C1 = 47µF C1 = 220µF Valores Medidos C1 = 47µF C1 = 220µF 5.4 Regulação 1. Com base no item anterior, iremos calcular o valor da resistência Rs necessária para a inserção do diodo Zener no circuito. Para tal procedimento, deve-se adotar o valor do capacitor C1 como 220µF e os valores de tensão para a carga igual a 10K; 2. A partir da folha de dados do diodo Zener 1N4739, preencha a Tabela 6 com as características do diodo utilizado; 3. Utilizando as fórmulas abaixo, calcule o valor do resistor Rs, que será a média aritmética do valor de Rsmáx e Rsmín; Vsmáx VZ Rsmín Eq. 1 IZmáx + IL Vsmín VZ Rsmáx < Eq. 2 Izmín + IL Onde: Vsmáx => Tensão Máxima Vsmín => Tensão Mínima IL => Corrente (Calculada para 9,1V) 4. Monte o Circuito da Figura 6 e varie o valor do resistor de carga conforme o indicado na Tabela 7; 5. Com o auxílio do osciloscópio preencha a Tabela 7. Tabela 6 Características do Diodo Zener (1N4739). Parâmetro Tensão Zener VZ (V) Potência Máxima PZ (W) Corrente Máxima IZmáx (A) Corrente Mínima Izmín (A) = 10% IZmáx Valor Figura 6 Circuito com Regulagem de Tensão.

6 Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratório de Eletrônica 27 Tabela 7 Parâmetros do Circuito com Regulagem de Tensão. 5.5 Variação da Tensão 1. Modifique o circuito da fonte conforme a Figura 7 e varie o valor do resistor de carga conforme o indicado na Tabela 8; 2. Com o auxílio do osciloscópio preencha a Tabela 8. Figura 7 Fonte com Regulagem de Tensão sobre a Carga. Tabela 8 Parâmetros da Fonte com Regulagem de Tensão sobre a Carga. Tensão Mínima Tensão Máxima 6 Relatório e Conclusões Deverá ser apresentado um relatório, de acordo com o que foi estabelecido, onde deve constar: 1. Os valores das simulações efetuadas e as formas de onda de cada circuito. 2. Explique como ocorre a retificação de onda completa com uma ponte e a retificação de onda completa com um transformador com tomada central. 3. Explique como a inclusão do transistor e do potenciômetro promove a variação de tensão sobre a carga e aumenta a capacidade de corrente da fonte. 4. Realize uma análise crítica entre os valores e as formas de onda obtidos através da simulação e os obtidos no circuito real. 5. Monte uma tabela comparativa, para cada uma das configurações de fonte adotadas, relacionando o valor da carga e o valor da tensão sobre esta. Calcule a variação percentual da tensão sobre a carga, considerando como referência a carga de 100K. 7 Bibliografia BOGART, Theodore F. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos. Makron Books. SEDRA, Adel S. e SMITH, K. C.. Microeletrônica. Makron Books. LALOND, David E. e ROSS John A.. Princípios de Dispositivos e Circuitos Eletrônicos. Makron Books. MARQUES, Ângelo Eduardo B., et al. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. Érica.