IFSC - Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville. Curso Técnico em Eletroeletrônica Disciplina Eletrônica Geral I

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1 IFSC - Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Curso Técnico em Eletroeletrônica Disciplina Eletrônica Geral I Projeto: Fonte de Alimentação e Controlador de Motor CC Adriano Rossetti Marco Antonio Ramos Prof. Carlos Toshiyuki Matsumi Joinville Junho de 2011

2 Sumário 1. INTRODUÇÃO DESCRIÇÃO DO PROJETO FONTE DE ALIMENTAÇÃO CIRCULAÇÃO DA CORRENTE NO CIRCUITO FILTRO CAPACITIVO REGULADORES DE TENSÃO (FAMÍLIA 78XX) CONTROLADOR DE MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) CÁLCULOS DO PROJETO VALORES DE TENSÃO DO TRANSFORMADOR VALOR DO RESISTOR DO TRANSISTOR SIMULAÇÃO DO PROJETO MONTAGEM DO CIRCUITO EM PROTO BOARD FUNCIONAMENTO E FORMAS DE ONDA DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO FUNCIONAMENTO E MEDIÇÕES DO CONTROLADOR DO MOTOR CC CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO PROJETO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI) PREPARAÇÃO DA PCI MONTAGEM E INSERÇÃO DOS COMPONENTES AVALIAÇÃO DO PROTÓTIPO PROJETO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI) APRESENTAÇÃO DA PLACA EM FUNCIONAMENTO FORMA DE ONDA DO CAPACITOR FORMA DE ONDA DO CIRCUITO INTEGRADO LISTA DE MATERIAIS CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA

3 Índice de Ilustrações Figura 1 Diagrama de Bloco... 4 Figura 2 Circuito da Fonte de Alimentação... 5 Figura 3 Formas de Onda Figura 4 - Formas de Onda Figura 5 Semi Ciclo Positivo... 6 Figura 6 Semi Ciclo Negativo... 6 Figura 7 Filtro Capacitivo... 7 Figura 8 Forma de onda de Filtro Capacitivo... 7 Figura 9 Regulador de Tensão LM78XX... 8 Figura 10 Circuito do Controlador do Motor CC (Cooler)... 9 Figura 11 Fonte e Controlador no Protoboard Figura 12 Simulação do Circuito Figura 13 Forma de Onda na entrada da fonte Figura 14 Forma de onda dos capacitores Figura 15 Forma de onda dos capacitores Figura 16 Forma de onda do regulador Figura 17 Forma de onda do regulador Figura 18 Teste de tensão em repouso Figura 19 Teste de tensão mínima Figura 20 Teste de tensão normal Figura 21 Teste de tensão máxima Figura 22 Impressão da PCI (Colorida) Figura 23 Impressão da PCI (Preto e Branco) Figura 24 PCI impressa Figura 25 PCI concluída Figura 26 Montagem da Placa (Vista Superior) Figura 27 Montagem da Placa (Vista Inferior) Figura 28 Teste final com tensão inferior (repouso) Figura 29 Teste final com tensão mínima Figura 30 Teste final com tensão normal Figura 31 Teste final com tensão máxima Figura 32 Versão final do projeto Figura 33 Forma de Onda do capacitor Figura 34 Forma de onda do CI LM555 - Repouso Figura 35 Forma de onda do CI LM555 - Inicial Figura 36 Forma de onda do CI LM555 - Normal Figura 37 Forma de onda do CI LM555 - Máxima

4 1. Introdução O presente projeto tem como objetivo demonstrar os conhecimentos adquiridos na disciplina Eletrônica Geral I na utilização de diodos como retificadores de onda (retificador de meia onda ou onda completa) a partir de fontes de corrente alternada. Visa também abordar os aspectos teóricos e práticos para a confecção de uma fonte de alimentação de corrente contínua (CC), utilizando como entrada um transformador de corrente alternada. No estágio final do projeto a preparação de um circuito controlador para um motor de corrente contínua (CC), conforme diagrama de bloco abaixo. Figura 1 Diagrama de Bloco 4

5 2. Descrição do projeto 2.1 Fonte de Alimentação Será utilizado um transformador com TAP central como fonte de alimentação, tendo este tensão nominal de entrada de 220V em Corrente Alternada (CA) e tensão de saída também alternada de +12V e -12V e corrente de saída de 500mA. Para o experimento será utilizado apenas um dos TAP, logo propomos um circuito retificador de meia onda tendo como base dois diodos 1N N4007 LM 7812 I Saída = 500mA VCC + C1 C2 C3 220V 12V GND C1 C2 C3 1N4007 LM 7912 Figura 2 Circuito da Fonte de Alimentação VCC - I Saída = 500mA A utilização dos diodos tem por objetivo retificar ou corrigir o semi ciclo negativo apresentado na Correntee Alternada, permitindo que tenhamos apenas ondas no semi ciclo positivo. Figura 3 Formas de Onda 1 Fonte: Wikipedia Retificador de Meia Onda Figura 4 - Formas de Onda 2 Fonte: Retificador de Meia Onda 5

6 2.2 Circulação da Corrente no Circuito A colocação dos diodos na fonte determinam a forma da circulação da corrente eletrétrica no circuito. Abaixo representa-se a circulação da corrente nos semi ciclos positivo e negativo. Semi-ciclo Positivo 1N4007 LM 7812 I Saída = 500mA VCC + C1 C2 C3 220V 12V GND C1 C2 C3 1N4007 LM 7912 VCC - I Saída = 500mA Figura 5 Semi Ciclo Positivo Semi-ciclo Negativo 1N4007 LM 7812 I Saída = 500mA VCC + C1 C2 C3 220V 12V GND C1 C2 C3 1N4007 LM 7912 VCC - I Saída = 500mA Figura 6 Semi Ciclo Negativo 6

7 2.3 Filtro Capacitivo A compensação de tensão será feita pela utilização de capacitores que irão manter o forma de onde dentro de uma certa continuidade, transformando uma tensão pulsante em Tensão contínua ou que tenha menor variação. A variação entre as tensões máxima (Vmax) e mínima (Vmin) é chamada de Tensão de Ondulação ou Tensão de Ripple. Figura 7 Filtro Capacitivo Fonte: Eletronica 24H - Formas de onda de entrada (azul) e saída (vermelho) Figura 8 Forma de onda de Filtro Capacitivo 7

8 2.4 Reguladores de Tensão (Família 78XX) No projeto da fonte serão utilizadas as famílias de reguladores de tensão 78XX e 79XX, respectivamente para tensões positivas e negativas. A principal função é estabilizar ou regular a tensão de saída em um valor fixo conforme sua configuração, exemplo 5V, 12V e 15V. O regulador tem a necessidade de alimentação de tensão maior ou igual à tensão de saída mais o valor da tensão consumida pelo próprio regulador, no caso do regulador de 12V de saída a tensão mínima de entrada requerida por datasheet é de 14.5V. Também se determina pelo datasheet os capacitores a serem utilizados nas posições C1 = 0,33uF ou 330nF e C0 = 0,1uF ou 100nF, os quais são dados no circuito do projeto como capacitores C2 e C3 respectivamente. Figura 9 Regulador de Tensão LM78XX Fonte: Regulador LM78XX (KA78XX, MC78XX) Fairchild 8

9 2.5 Controlador de Motor de Corrente Contínua (CC) Para representar o motor de corrente continua será utilizado um cooler de 12V e 190mA. Esta carga será acionada pelo circuito controlador que é composto pelo circuito abaixo: Figura 10 Circuito do Controlador do Motor CC (Cooler) A fonte de alimentação criada na primeira parte do projeto usando o regulador LM7812 poderá providenciar a tensão continua da 12V positiva requeria pelo controlador do motor acima. Este projeto tem como base o Circuito Integrado LM555 que tem a função de controlar a velocidade do motor conforme a variação de tensão regulada por um potenciômetro. Utiliza também um transistor bipolar que tem a função de chavear o acionamento do motor também de acordo com a tensão no mesmo. 9

10 3. Cálculos do Projeto 3.1 Valores de Tensão do Transformador Utilizaram-se as fórmulas a seguir para determinar o valor das tensões no transformador: VP = Vef. 2 =. =, Os valores a seguir são dados pelo datasheet dos reguladores LM78XX: - Capacitor (C1): Cálculo abaixo - Capacitor (C2): Dado pelo datasheet = 0,33uF ou 330nF - Capacitor (C3): Dado pelo datasheet = 0,10uF ou 100nF Transformador: 12V Vmin = 14,8V (Dado no Datasheet do Regulador de Tensão LM7812) Vmax=VP Vd Vmax = 16,97 0,7 Vmax = 16,27V Vrev= VP+Vd Vrev = -16,97 + 0,7 Vrev = -16,27V Vmed= Vmax+Vmin /2 Vmed = (16, ,8) / 2 Vmed = 15,54V Vr= Vmax Vmin Vr = (16,97-14,8) Vr = 1,47V 10

11 RL= Vmed/Iout RL = (15,54 / 0,5) RL = 31,08V C=Vmed/ f x RL x Vr C = 15,54 / (60 x 31,08 x 1,47) C = 5,67mF ou 5670uF 3.2 Valor do Resistor do Transistor Utilizaram-se as fórmulas a seguir para determinar o valor da resistência, considerando a tensão mínima na base do TIP120 como Bmin = 1000, VCE = 3V, VBE = 0,7V e IC = 3A, dados estes extraídos do datasheet, sendo a corrente do motor do cooler de 190mA e Vout = Vcc (pino 3 LM555, figura 10): βsat= 1 x Bmin 10 β sat = x 1000 = 100 = βsat = 100 =, = = 12 0,7 1,9 10 RB = 5,95KΩ (valor comercial adotado de 6,8KΩ) 11

12 4. Simulação do Projeto 4.1 Montagem do circuito em Proto Board Utilizando a matriz de contato (Proto Board) foi feita a inserção dos componentes conforme o esquema apresentado anteriormente, estando à direita a Fonte de Alimentação e à esquerda o Controlador do Motor CC. Fonte Controlador Figura 11 Fonte e Controlador no Protoboard 4.2 Funcionamento e Formas de Onda da Fonte de Alimentação Ao ligar o circuito na rede re alimentação 220V, foi possível verificar as formas de onda na entrada da fonte, visto como secundário do transformador na forma de uma onda senoidal considerando que houve apenas a transformação da tensão alternada de 220V do primário para 12V alternado no secundário. 12

13 Figura 12 Simulação do Circuito Figura 13 Forma de Onda na entrada da fonte 13

14 Na sequência de testes apresenta-se a medição de tensão na sua forma de onda contínua em 12V para os capacitores eletrolíticos associados em paralelo, os quais representam o Capacitor C1 do circuito. Figura 14 Forma de onda dos capacitores 1 Figura 15 Forma de onda dos capacitores 2 14

15 Abaixo é apresentada a medição da tensão de saída do regulador de tensão, com valor fixo em 12V, conforme sua especificação. Figura 16 Forma de onda do regulador 1 Figura 17 Forma de onda do regulador 2 15

16 4.3 Funcionamento e Medições do Controlador do Motor CC Considerando a conclusão do experimento da fonte de alimentação regulada, passamos para a próxima etapa de testes, agora no circuito do controlador, sendo este já alimentado pela própria fonte da parte inicial deste trabalho. A medição foi realizada em quatro estágios, sendo: 1º Estágio: Em repouso, tensão inferior a necessária para o acionamento. Figura 18 Teste de tensão em repouso 2º Estágio: Tensão suficiente de funcionamento, mas com rotação baixa. Figura 19 Teste de tensão mínima 16

17 3º Estágio: Com a tensão de 8,26V percebemos o funcionamento normal e com boa rotação do motor. Figura 20 Teste de tensão normal 4º Estágio: Tensão máxima observada no multímetro de foi de 11,14V a qual permitiu plena funcionalidade do motor. Figura 21 Teste de tensão máxima 17

18 5. Confecção do Protótipo 5.1 Projeto da Placa de Circuito Impresso (PCI) Baseado no circuito apresentado, foi utilizado o software Trax Maker para a preparação do desenho do mesmo. Figura 22 Impressão da PCI (Colorida) Figura 23 Impressão da PCI (Preto e Branco) 5.2 Preparação da PCI Foi feita impressão da PCI em toner e papel plastificado o qual permite transferir para placa de fenolite com face revestida de cobre a impressão. A informação impressa se refere ao layer das trilhas, ilhas e identificações e bordas para que não haja possibilidade de curto circuito. Após a impressão o papel plastificado foi colocado com a parte impressa do toner com a face de cobre a placa de fenolite e colocada em uma prensa térmica por cerca de 2 minutos e trinta segundos. No término deste período o toner desprende-se do papel e é fixado na placa, conforme figura a seguir. 18

19 Figura 24 PCI impressa No passo seguinte a Placa de Circuito Impresso foi colocada em banho de Ácido Percloreto de Ferro, o qual corroeu a parte do cobre desprotegida pelo toner, formando assim as trilhas de cobre. Após ser retirada do banho ácido a placa foi lavada e limpa com palha de aço para remover a proteção do toner e finalizar o processo. Na etapa seguinte a placa foi perfurada, com broca de espessura 0,8mm em todas as previsões de ilhas, conforme figura a seguir. Figura 25 PCI concluída 19

20 5.3 Montagem e inserção dos componentes Os componentes eletrônicos foram soldados na placa iniciando-se pelos componentes com perfil mais baixos, com resistores e diodos até os componentes com maior altura como os capacitores eletrolíticos. Este procedimento permite soldar os componentes com maior facilidade de manuseio da placa e melhor fixação dos componentes. Os terminais inseridos na parte superior da placa e os terminais voltados para a face com as trilhas de cobre para sua fixação com estanho no processo de soldagem. Abaixo foto da vista superior e inferior da placa. Figura 26 Montagem da Placa (Vista Superior) Figura 27 Montagem da Placa (Vista Inferior) 20

21 6. Avaliação do Protótipo 6.1 Projeto da Placa de Circuito Impresso (PCI) Assim como na fase de simulação em proto board, a placa foi submetida a medições de tensões distintas para avaliar o comportamento em 4 níveis de tensão (repouso, mínimo, normal, máximo) por variação no potenciômetro: Figura 28 Teste final com tensão inferior (repouso) Figura 29 Teste final com tensão mínima 21

22 Figura 30 Teste final com tensão normal Figura 31 Teste final com tensão máxima 22

23 6.2 Apresentação da Placa em Funcionamento Para melhor apresentação do experimento, ambas as placas foram colocadas justapostas sobre uma placa de madeira, tendo sido fixado o transformador na lateral direita e o motor (cooler) na outra extremidade, conforme imagem a seguir, que mostra inclusive o motor em funcionamento: 6.3 Forma de Onda do Capacitor Figura 32 Versão final do projeto No experimento, foram medidas as formas de onda em osciloscópio digital, neste caso não apresenta freqüência nem período por tratar-se de uma onda contínua: Figura 33 Forma de Onda do capacitor 23

24 6.4 Forma de Onda do Circuito Integrado Abaixo são apresentadas as variações da forma de onda percebidas pela carga. As medidas foram realizadas também em osciloscópio digital a partir do terminal 3 do Circuito Integrado LM555, neste terminal temos a tensão de saída do componente, ajustada pelo potenciômetro: Figura 34 Forma de onda do CI LM555 - Repouso Figura 35 Forma de onda do CI LM555 - Inicial 24

25 Figura 36 Forma de onda do CI LM555 - Normal Figura 37 Forma de onda do CI LM555 - Máxima 25

26 7. Lista de materiais Para a confecção do projeto da fonte de alimentação e do controlador do motor CC foram utilizados os seguintes componentes: Lista de Materiais - Fonte Unidade Descrição 1 Transformador 220V / V 500mA 1 Placa de Circuito Impresso de Fenolite; 1 Chapa de madeira 2 Diodo Capacitor Eletrolítico 2200uF 50V 2 Capacitor Eletrolítico 1500uF 50V 2 Capacitor Poliester 100nF 100V 2 Capacitor Poliester 330nF 250V 1 Regulador de Tensão LM Regulador de Tensão LM Conectores Lista de Materiais - Controlador do Motor Unidade Descrição 1 Potenciômetro 100KOhm 1 Placa de Circuito Impresso de Fenolite; 1 Cooler 12Vdc 190mA 1 Chapa de madeira 1 Capacitor Cerâmico 10nF 25V 1 Capacitor Cerâmico 100nF 25V 2 Resistor 1/4W - 1KOhm 1 Resistor 1/4W - 5,6KOhm 1 Resistor 1/4W - 10KOhm 2 Diodo Diodo Transistor TIP120 1 CI LM555 5 Conectores 1 Jumper 26

27 8. Conclusão Verificamos que a utilização de diodos tem importante função para a retificação da forma onda, permitindo que se transforme uma tensão alternada em contínua, juntamente com o uso de capacitores os quais tornam a onda contínua, com pequena variação chamada de tensão de oscilação ou ripple. Com a aplicação do regulador LM78XX é possível eliminar a tensão de ripple fazendo com que a onda de fato fique estabilizada, permitindo fornecer ao circuito uma tensão estável. Na segunda parte identificou-se a possibilidade de controlar a tensão com o uso de um Circuito Integrado (LM555) o qual permite regular a tensão de saída para a carga por meio de um potenciômetro. A carga também passa a ser acionada por meio de transistor TIP120 que atua como chave eletrônica para ligar ou desligar a carga, no caso motor do Cooler, que passou a ser acionado com a tensão acima de 3V, conforme descrição do datasheet que prevê tensão de pelo menos 3V no coletor e acionamento do motor. 27

28 9. Bibliografia Wikipedia Retificador de Meia Onda Retificador de Meia Onda Site Eletronica 24H Formas de onda Fairchild - Regulador LM78XX (KA78XX, MC78XX) 28