Circuito retificador com ponte de diodos

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1 COLÉGIO TÉCNICO ESTADUAL PAROBÉ DISCIPLINA ELETRÔNICA 1 PROFESSORA JAQUELINE Relatório do Projeto Fonte de Alimentação Aline Vieira Malanovicz O objetivo deste relatório é descrever o desenvolvimento do projeto Fonte da disciplina Eletrônica 1 do Curso Técnico em Eletrônica do Colégio Técnico Estadual Parobé. Este projeto foi desenvolvido no 2º semestre de 2015, sob a orientação da professora Jaqueline. Inicialmente, foi dada a definição do trabalho prático do semestre: desenvolver uma fonte de tensão contínua simétrica. Esta fonte deveria funcionar de modo a poder ser utilizada nas atividades dos próximos semestres do curso. Ela seria composta de um transformador (15V+15V com center tape), um circuito de retificação, um filtro e um regulador. Foi permitido aos alunos optar por fontes fixas ou reguláveis. Eu fiz a opção pela fonte regulável. A justificativa é que suponho que os circuitos a serem desenvolvidos nos próximos semestres poderão utilizar tanto tensões de, por exemplo, +5V (circuitos TTL para Eletrônica Digital), como de +12V (e -12V) ou mesmo de +9V (e -9V). Por isso, preferi desenvolver uma fonte que pudesse oferecer uma variedade de tensões de saída. Já havíamos aprendido sobre o funcionamento dos Transformadores no primeiro semestre. O trafo utilizado tem o limite de 1A: é a máxima corrente com que as cargas dos circuitos podem ser alimentadas pela fonte. No início deste semestre, a professora explicou detalhadamente os Circuitos Retificadores, compostos por diodos da série 1N N4007. Realizamos montagens simulando retificação de meia-onda (com 1 diodo), retificação de onda completa (com 2 diodos), e finalmente a ponte retificadora de onda completa (com 4 diodos). Verificamos a saída da onda retificada no osciloscópio digital, e vimos que o melhor resultado foi produzido pela ponte retificadora. Circuito retificador com ponte de diodos Saída de onda (alternada, retificação de meia onda, retificação de onda completa, e ponte retificadora) Também aprendemos sobre os Filtros Capacitivos e a importância do dimensionamento do capacitor eletrolítico para a escolha correta do componente que vai permitir a suavização da variação de tensão na saída do circuito retificador. Tínhamos disponíveis vários capacitores eletrolíticos de 1000µF a 6000µF (2200µF ficou bom). Por exemplo, um circuito que se origina de um Trafo de 15V (RMS), produz uma tensão máxima (pico) de cerca de 30% a mais do que os 15V originais (cerca de 15V / 0,707 = 21,22V), e por isso, o capacitor do filtro deve suportar pelo menos 22V (optamos por um capacitor comercial de 35V, "com folga"). As imagens representam a forma da onda depois da ação do capacitor (carga/descarga). Percebe-se a suavização da onda e a pequena variação de tensão pico/vale (tensão ripple).

2 Prosseguindo no semestre, a professora ensinou as noções básicas sobre Controladores de Tensão. Fizemos experiências com o regulador LM339 (comparador) utilizando um LDR e um potenciômetro, para evidenciar a comparação de tensões. Depois, fizemos montagens com o regulador LM317 (para tensões positivas) e com o LM337 (para tensões negativas a simetria), utilizando potenciômetros para evidenciar as variações correspondentes da tensão de saída. Nestes experimentos, os potenciômetros se mostraram frágeis, e foram substituídos por trimpots equivalentes, de melhor qualidade e precisão (embora mais caros). ;-) Circuito do LM339 DataSheet LM317 e LM337 Circuito do LM337 para a Fonte Dessa forma, aprendemos a teoria dos componentes básicos de uma fonte de alimentação. A primeira etapa do desenvolvimento propriamente dito do projeto envolveu a pesquisa de circuitos para fontes. Encontrei vários circuitos para fontes na internet e em revistas de eletrônica. Mas esta pesquisa precisou de uma filtragem de resultados segundo critérios de seleção rigorosos, pois a maior parte dos circuitos encontrados não era adequada aos propósitos ou aos materiais do projeto. Por exemplo, foram encontrados circuitos que utilizavam retificação de meia onda, ou utilizavam retificação com apenas dois diodos (sem a ponte), outros utilizavam Trafo de apenas 12V+12V (ou 18V+18V), ou Trafo sem center-tape, outros apresentavam a fonte não-simétrica (forneciam somente tensão positiva), outros forneciam apenas tensão fixa (geralmente 12V) e não regulável, outros utilizavam reguladores diferentes daqueles a que tínhamos acesso (LM317 e LM337)... Ou seja, vários critérios foram eliminando os resultados preliminares da pesquisa. No fim deste processo de seleção, o circuito que atendeu a todos os critérios foi o da Fonte Simétrica Ajustável Estabilizada com LM317 e LM337, postado por Toni no site: A segunda parte do desenvolvimento envolveu a seleção dos componentes e a compra dos que faltavam. O transformador e os 4 diodos já estavam montados, assim como o capacitor, e os controladores e potenciômetros também já estavam em seus circuitos reguladores. Nesse sentido, bastou procurar no material de aula os demais componentes (resistores de 220 ohm) e capacitores não-eletrolíticos (de 100nF) já utilizados em outras práticas deste semestre.

3 A montagem do circuito envolveu, basicamente, a simples conexão dos circuitos já montados na matriz de contatos (protoboard). O Trafo ficou conectado ao circuito retificador, que ficou conectado aos dois filtros capacitivos (positivo e negativo), que fiaram então conectados aos seus respectivos circuitos reguladores de tensão (positiva e negativa). Para os testes do circuito completo, foram utilizadas duas fontes de tensão variáveis do Colégio, permitindo assim gerar a simetria. Vimos que variações nos trimpots resultaram em variação correspondente na tensão de saída do circuito. Ou seja, o circuito funcionou. O passo final do projeto envolveu a montagem na placa padrão e a solda dos componentes. Elaborei um design mais compacto para o circuito (como já é de hábito ), aproveitando a característica das trilhas do modelo específico da placa padrão. Realoquei os componentes de maneira a deixar a referência GND na trilha central do circuito, a referência positiva na trilha do alto, e a referência negativa na trilha de baixo. A ponte de diodos ficou bem na esquerda, recebendo os fios do Trafo, e realoquei os trimpots para ficarem bem na direita, e não no centro do circuito, com o objetivo de facilitar o acesso para o ajuste da tensão. Plaquinha Desenho do circuito Solda Foto da plaquinha Alguns testes de continuidade foram realizados para garantir que as ligações não desandaram depois de soldar na placa (fenômeno muito comum para alunos iniciantes ). Algumas correções foram realizadas, separando trechos de solda indevidamente ligados um no outro, afastando um pouco mais alguns componentes que estavam excessivamente próximos (para reduzir o risco de aquecimento de capacitores), e a substituição de capacitores não-eletrolíticos de 100V por outros de 50V (menores e mais compactos). O aspecto do resultado final ficou um pouco diferente da imagem da fonte completa mostrada no site, pois a proposta do site era de desenvolver uma placa de circuito impresso. Para a nossa realidade, entretanto, o circuito soldado diretamente na placa padrão parece suficiente, e evita os dramas de ter que lidar com a deposição correta de produtos químicos como o Percloreto de Ferro FeCl 3 (uma incomodação a menos!). Os testes iniciais com o circuito já soldado na placa foram realizados novamente com as fontes reguláveis da escola (para testar tanto a tensão positiva quanto a tensão negativa) (+22V e -22V), e depois com a ligação direta na tomada (+127V, testando a tensão positiva). A regulagem do trimpot novamente correspondeu a uma variação na tensão de saída. Ou seja, a fonte funcionou!

4 No osciloscópio, puderam ser visualizadas as formas de onda da parte positiva e da parte negativa em suas diferentes fases: na saída do Trafo (onda senoidal), depois da retificação (onda pulsante com ripple= 10mV), após o filtro (onda suavizada com menor ripple), e na saída do circuito (linha contínua, variável via trimpot). Visualizações de onda solicitadas Onda senoidal do Transformador Onda após a retificação (ripple) Onda na saída do filtro capacitivo Onda na saída do regulador LM337 Variação da tensão via trimpot Onda na saída do filtro capacitivo Onda na saída do regulador LM317 Variação da tensão via trimpot

5 Algumas medidas de intensidade da corrente elétrica para alimentação constante de 5V foram as seguintes: Cores dos Resistência Resistência Corrente Corrente Percentual resistores calculada medida calculada medida de Perda Marrom- i = 5V / (4 4,149) /4,149 = vermelho- 1M200kΩ 1M205kΩ 1M205kΩ 4µA 3,59% verde i = 4,149µA 5 *(marrom- pretoamarelo) Marrompretoamarelo Verdeazullaranja Amarelo- Violetavermelho Laranjabrancomarrom 5 * 100k Ω = 500kΩ 100kΩ 56kΩ 4k7Ω 380Ω 491kΩ 97kΩ 55kΩ 4k7Ω 380Ω i = 5V / 491kΩ i = 10,183µA i = 5V / 97kΩ i = 51,546µA i = 5V / 55kΩ i = 90,909µA i = 5V / 4k7kΩ i = 1,063mA i = 5V / 380Ω i = 13,157mA 10µA 54µA 97µA 869µA 3,31mA (10,183 10) / 10,183 = 1,76% (51,546 54) / 51,546 = +4,76% (90,909 97) / 90,909 = +6,70% ( ) / 1063 = 18,25% (13,157 3,31) / 13,157 = 74,84% Para cargas menores, que exigem correntes maiores, a perda é também maior. Para cargas maiores, a perda é menor, se existente, e a intensidade da corrente fica dentro do esperado para a tolerância dos resistores. A etapa de finalização do desenvolvimento do projeto envolveu o encapsulamento da fonte em uma pequena caixa utilizada para sabonetes, com a adição dos controles e ajustes voltados para a face externa. Foram incluídos os seguintes adicionais de usabilidade : uma flecha para o cabo de energia, dois eixos de trimpot para regulagem das tensões de saída (+ e ), e três bornes de saída do tipo banana para GND, + e. O aspecto final da fonte ficou funcional, fácil de usar e prático de carregar, pois ficou bastante compacto, num tamanho que cabe na caixa de ferramentas de qualquer aluno. Fonte.rar by Aline Vieira Malanovicz.