FONTE DE ALIMENTAÇÃO REGULADA

FONTE DE ALIMENTAÇÃO REGULADA Vinícius Luiz Gasperin e Joel Zeni UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL Campus Universitário da Região dos Vinhedos Centro de Ciências Exatas, da Natureza e Tecnologia Engenharia Elétrica Alameda João Dal Sasso, 800 95700-000 Bento Gonçalves RS Brasil e-mails: viniciusgasperin@yahoo.com.br, joelzeni@gmail.com 1 INTRODUÇÃO Todos os componentes do projeto serão calculados para atender a especificação do projeto. O projeto da fonte de alimentação tem os seguintes parâmetros especificados: - Tensão de saída de 0-30 V. - Capacidade de corrente de 3A. O relatório será apresentado em etapas de acordo com o desenvolvimento do projeto. As etapas de criação da fonte consistem em transformação da tensão, retificação da tensão, filtragem e regulação de tensão. Figura 1. Etapas do processo 2 CÁLCULO DO CAPACITOR DE FILTRO O capacitor é um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e consequente energia eletrostática, ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem várias vantagens. A mais simples de todas elas é que com o dielétrico podemos colocar as placas do condutor muito próximas sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode ser tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor. Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado. Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 1

Na saída de um sistema retificador obtemos corrente contínua pulsante, ou seja, formada pelos semiciclos da corrente alternada que são conduzidos pelos diodos. Esta corrente contínua não é pura, não servindo para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. A corrente contínua pulsante da saída de um sistema retificador precisa passar por um processo de filtragem que, dependendo da aplicação, deve ser o mais eficiente quanto seja possível. A filtragem da corrente contínua pulsante pode ser realizada de diversas formas. A mais simples é a obtida com a utilização de um capacitor ligado conforme mostra a figura 2. Figura 2. Filtro capacitivo Neste caso precisa-se filtrar uma retificação de onda completa para ficarmos com um sinal parecido com a figura 3. Em vermelho o sinal sem o filtro, e em azul o sinal com filtro. Figura 3. Filtragem Como se precisa que na saída da fonte estejam no máximo 30V, é necessário que antes da regulagem se tenha uma tensão maior do que 30V. Especifica-se então que a tensão sobre o capacitor seja de 33V com VR = 2V. Sendo 6% de variação de ripple. A figura 4 ilustra a componente CA resultante denominada ripple: Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 2

Figura 4. Ripple Tensão máxima de ripple: 33 x 0,06 = 1,98 V [1] É denominada capacitância C a propriedade que os capacitores têm de armazenar cargas elétricas na forma de campo eletrostático, e ela é medida através do quociente entre a quantidade de carga (Q) e a diferença de potencial (V) existente entre as placas do capacitor, matematicamente fica da seguinte forma: C = [2] Como tem-se uma retificação de onda completa a frequência é 120Hz então: C = [3] C = 12500 µf [4] VALOR COMERCIAL 4X3300uF=13200µF [5] *Ajuste para valores comerciais CAPACITOR Vrp = [6] Vrp = 1,9 V [7] Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 3

Variação de ripple = [8] Variação de ripple = 5,75 % [9] 3 CÁLCULO DO TRANSFORMADOR Figura 5. Transformador básico De funcionamento bem simples, o transformador é um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. O transformador de tensão é constituído por uma peça de ferro, denominada de núcleo do transformador, ao redor do qual são enroladas duas bobinas. Em uma dessas bobinas é aplicada a tensão que se deseja transformar, ou seja, aumentar ou diminuir. Essa bobina é chamada de bobina primária ou enrolamento primário. Depois de transformada, a tensão é estabelecida nos terminais da outra bobina, que é denominada bobina secundária ou enrolamento secundário. Um transformador funciona do seguinte modo: ao aplicar uma tensão alternada no enrolamento primário surgirá uma corrente, também alternada, que percorrerá todo o enrolamento. Através dessa corrente estabelece-se um campo magnético no núcleo de ferro, esse por sua vez sofre várias flutuações e, consequentemente, surge um fluxo magnético que é induzido na bobina secundária. Vmáx = 33 + (33 x 0,0288) = 33,95 V [10] Vp(secundário) = 33,95 + (2 x 0,7) = 35,35 V [11] Vrms(secundário) = = 25 V [12] TRAFO COMERCIAL ENCONTRADO Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 4

24 V 3 A Figura 6. Transformador utilizado para simulação do projeto no software Multisim 4 CÁLCULO DOS DIODOS RETIFICADORES Diodos são componentes que deixam a corrente elétrica passar em apenas uma direção. Existem diversos tipos de diodos com características muito diversas. Um diodo pode até emitir luz ou simular um capacitor. Os diodos que são usados primordialmente para deixar a corrente passar em apenas uma direção são chamados retificadores. Os principais diodos retificadores são divididos em três grupos, de acordo com os materiais usados em sua construção: germânio, silício e schottky. O de germânio é usado apenas onde se precisa de uma queda de tensão muito pequena. Os de silício são de uso geral e os schottky são construídos baseados em uma junção metal-semicondutor (e não semicondutor-semicondutor como ou outros dois) e apresentam uma baixa queda de tensão (tensão de barreira) e altas velocidades de trabalho. Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 5

Figura 7. Diodos O processo fundamental na fonte é a retificação, isto é, a transformação da corrente alternada em contínua. Isto é feito normalmente por diodos, componentes que só permitem a passagem da corrente em uma direção. Dois parâmetros principais devem ser estabelecidos: - VRRM (Maximum Repetitive Reverse Voltage) -> Tensão reversa repetitiva máxima - IFAV (Average Forward Current) -> Corrente média máxima Para nosso projeto temos: VRRM > 2 x Vp(secundário) = 70,7V [15] IFAV > = 1,5 A [16] DIODO COMERCIAL = 1N5401 DIODO COMERCIAL ENCONTRADO = 6A8 Figura 8. Conexão do Osciloscópio no circuito simulado Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 6

Figura 9. Funcionamento do circuito no tempo Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 7

Figura 10. Tensão medida nos diodos retificadores Figura 11. Conexão do Osciloscópio no circuito simulado Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 8

Figura 12. Funcionamento do circuito no tempo Figura 13. Tensão medida após a filtragem Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 9

5 REGULADORES DE TENSÃO SÉRIE Figura 14. Projeto de um regulador de tensão O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada em relação aos reguladores que utilizam apenas um diodo zener. O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o elemento regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí o nome regulador série. Figura 15. Diagrama de blocos de um circuito regulador tipo série 5.1 CÁLCULO DO TRANSISTOR O transístor é um dos componentes mais importantes na Eletrônica. É um dispositivo com três terminais. Num elemento com três terminais é possível usar a tensão entre dois dos terminais para Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 10

controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal e obter uma fonte controlável. O transístor permite a amplificação e comutação de sinais, tendo substituído as válvulas termo-iónicas na maior parte das aplicações. A figura da página seguinte mostra, de forma esquemática, um transístor bipolar p-n-p. Este transístor é formado por duas junções p-n que partilham a região do tipo n (muito fina e não representada à escala). Neste aspecto, o dispositivo corresponde à sanduíche de um material do tipo n, entre duas regiões do tipo p. Existe também a estrutura complementar (npn). Dependendo da polarização de cada junções (directa ou inversa), o transístor pode operar no modo activo/linear, estar em corte ou em saturação. Figura 16. Transistor tipo PNP Figura 17. Transistor tipo NPN A operação de regulação pode ser descrita da seguinte forma: 1- Se a tensão de saída diminuir, a tensão base-emissor aumenta, fazendo com que o transistor conduza mais, e desta forma aumentando a tensão de saída mantém a saída constante. 2- Se a tensão de saída aumentar, a tensão base-emissor diminui, e o transistor conduz menos, reduzindo, assim, a tensão na saída mantém a saída constante. Alguns parâmetros devem ser levados em conta para escolha do transistor adequado: Vout máx = 30 V Vout min = 0 V Iout = 3A Vin máx = 33,95 V Vin min = 33-0,95 = 32,05 V [17] - FATORES PARA ESCOLHA DO TRANSISTOR ICmáx > 3A BVceo > 33,95 V Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 11

Quando a tensão na saída for zero, os 30V ficarão sobre o VCE, Então: Pc > 3 x (30) = 90 W [18] TRANSISTOR COMERCIAL ENCONTRADO = TIP142 5.2 CÁLCULO DO ZENER O diodo Zener pode funcionar polarizado diretamente ou inversamente. Quando está polarizado diretamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduz corrente enquanto a tensão aplicada aos seus terminais for inferior a aproximadamente 0,6 Volts no diodo de silício ou 0,3 Volts no diodo degermânio. 1 A partir desta tensão mínima começa a condução elétrica, que inicialmente é pequena mas que aumenta rapidamente, conforme a curva não linear de corrente versus tensão. Por esse fato, a sua tensão de condução não é única, sendo considerada dentro da faixa de 0,6 a 0,7 Volts para o diodo de silício. O diodo Zener pode ser utilizado com fonte de ruído branco quando operando na sua região de ruptura. Figura 18. Conexão do diodo Zener Devido a esta característica, os diodos Zener são frequentemente usados como reguladores de tensão. Por exemplo, no diagrama de circuito: Se Se Considerando o valor em valor absoluto. VZ = 30 + 1,2 = 31,2 V [19] DIODO ZENER COMERCIAL ENCONTRADO = 1N4751 30V-1W Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 12

VZ = 30 V PZ = 1 W IZK = 0,25 ma IZmáx = 33,33 ma 5.3 CÁLCULO DO RESISTOR Considerando um potenciômetro de 1k utilizado para zerar a fonte. Temos: IBmáx quando Rpotenciômetro = 10 k Ω IBmin quando Rpotenciômetro = 0 Ω BETA do transistor = 1000 IB = IC/BETA = = 0,003 [20] Rmáx = = 630 Ω [21] Rmin = = 120 Ω [22] 5.3 ESQUEMÁTICO Figura 19 - Esquemático Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 13

7 LISTA DE COMPONENTES Componente Part Number Quantidade Diodo retificador 6A8 4 Transformador 24-5V 1 Capacitor eletrolítico 3300uF 4 Diodo zener 1N4751 1 Resistor 330 Ohms 1 Potenciômetro 10 kohms 1 Transistor TIP142 1 Capacitor 47uF 1 Tabela 1 Lista de componentes 7 MÉTODOS DE MEDIÇÃO E RESUSLTADOS OBTIDOS Para teste o circuito foi montado em uma protoboard. O teste com carga foi realizado conectando na saída um reostato de 10 Ohms. Figura 20. Teste sem carga e com o Rpotenciomêtro em 1 kω Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 14

Figura 21. Teste sem carga e com o Rpotenciomêtro em 0 Ω Figura 22. Reostato de 10 Ω Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 15

Figura 23. Circuito em placa padrão Figura 24. Circuito em placa de circuito impresso Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 16

8 CONCLUSÕES Esta fonte é adequada a uma ampla variedade de aplicações, é fundamental em bancada de reparos e para aprendizado, serve para proteção de circuitos de testes contra eventuais danos por um erro de montagem, serve para alimentar circuitos com corrente de até 3A, poderá alimentar motores de até 30V e ser utilizada para teste de reparos de equipamentos defeituosos. Por se tratar de uma fonte ajustável ou variável é indispensável em laboratórios de eletrônica, pois permite o desenvolvimento de roteiros e projetos de experimentos específicos, eletrodinâmica e aplicações de componentes eletroeletrônicos. Pode ser usada para auxiliar na instrumentação de laboratório, eliminando a utilização de pilhas ou baterias e seus resíduos e possibilitando o ajuste da tensão necessária. 9 BIBLIOGRAFIA BRAGA, Newton.C. Filtragem e Ripple. Disponível em: <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/54-dicas/5389>. Acesso em: 30 mai. 2013. MSPC. Fontes de Alimentação. Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/eletrn/fontes_110.shtml>. Acesso em: 30 mai. 2013. MUNDO EDUCAÇÃO. O Transformador de Tensão. Disponível em: <http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/o-transformador-tensao-1.htm>. Acesso em: 31 mai. 2013. CORRARDI, Júnior. Reguladores de Tensão. Disponível em: <http://www.corradi.junior.nom.br/reguladores.pdf>. Acesso em: 04 jun. 2013. BOYLESTAD, Robert, NASHELSKY, Louis - Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. São Paulo: Prentice Hall do Brasil, 2006. Alunos: Diego de Oliveira, Joel Zeni e Vinícius Gasperin Página 17