IFSC - Instituto Federal de Educação, Ciência E Tecnologia de Sta. Catarina Curso Técnico Em Eletroeletrônica

IFSC - Instituto Federal de Educação, Ciência E Tecnologia de Sta. Catarina Curso Técnico Em Eletroeletrônica Fonte Simétrica de Meia Onda Com Regulador de Tensão Aluno: Talvani Güttler Eletrônica Geral I Prof. Carlos T. Matsumi Joinville, 09 de Dezembro de 2009

Sumário 1 - Introdução.. 3 2 - Descrição do projeto... 4 3 - O retificador... 4 3.1 - Funcionamento do circuito retificador... 4 3.2 - Filtro para a o circuito retificador... 5 3.3 - Configuração final do retificador e funcionamento do circuito... 5 3.3.a - Semiciclo positivo... 6 3.3.b - Semiciclo negativo... 6 4 - Dimensionamento dos capacitores... 6 4.1 - Tensão de pico... 7 4.2 - Tensão máxima... 7 4.3 - Tensão de ripple... 7 4.4 - Tensão mínima... 7 4.5 - Tensão média... 7 4.6 - Resistência na carga... 8 4.7 - Capacitor de estabilização da tensão (capacitor de ripple)... 8 4.8 - Tensão média após estabilização do sistema... 8 5 - Dimensionamento dos diodos... 9 5.1- Tensão reversa no diodo... 9 6 - Cálculo da potência na carga... 9 7 - Estabilização da tensão de saída... 10 7.1 - Saídas simétricas... 10 7.2 - Saída fixa de 5V... 10 8 - Esquema elétrico final do projeto... 11 9 - Testes em laboratório... 11 10 - Formas de onda... 12 10.1 - Na saída do transformador... 12 10.2 - No diodo... 13 10.3 - No capacitor (ripple)..... 13 10.4 - Na carga... 14 10.4.a - Após reguladores de tensão LM317 e LM337... 14 10.4.b - Após regulador de tensão LM7805... 14 11 - Confecção do circuito impresso... 15 12 - Lista de materiais utilizados... 16 13 - Conclusão... 16 14 - Referências bibliográficas... 17 2

1 - Introdução Percebemos que no decorrer dos anos, a eletrônica assumiu grande importância em nossas vidas, facilitando nosso dia-a-dia. Tudo o que está ao nosso redor, está de alguma forma envolvido com a eletrônica. Os componentes eletrônicos foram realmente um marco na história das descobertas e, nos proporcionaram um imenso avanço tecnológico, tornando mais simples nosso modo de viver. A origem dos aparelhos eletrônicos remonta às pesquisas de Heinrich Hertz (1887) com o inicio do estudo da Fotoeletricidade e, Thomas Alva Edison (1883), com o que chamamos hoje de "Efeito Edison", ou efeito termiônico. Ele demonstrou a formação de uma corrente elétrica fraca no vácuo parcial entre um filamento aquecido e uma placa metálica. Que mais tarde, receberam o nome de elétrons. A partir daí, são vários os relatos de experiências envolvendo a eletricidade, desde J.A. Fleming (1897), com a chamada válvula de Fleming, que deu origem a todas as válvulas utilizadas em telecomunicações e, Lee de Forest (1906) que inventa o tríodo. A utilização dessas válvulas como geradores, amplificadoras e detectoras, foi aos poucos se impondo, até chegar-se a invenção do transistor em 1947 pela BELL TELEPHONE LABORATORIES. Este componente substitui a válvula, sendo muito menor e mais barato. Jonathan Zenneck, em 1905, desenvolve o Tubo de Braun e cria o osciloscópio catódico, origem dos cinescópios dos aparelhos de televisão. Em 1958 fabricou-se o primeiro Circuito Integrado, pequena pastilha com pinos metálicos, que em seu interior, de forma microscópica, encontram-se de dezenas até milhões de transistores e outros componentes. Com o aperfeiçoamento dos circuitos integrados surgiu em 1971 o primeiro microprocessador. Esta técnica é a base de toda Eletrônica atual. Numa definição mais abrangente, podemos dizer que a Eletrônica é o ramo da ciência que estuda o uso de circuitos formados por componentes elétricos e eletrônicos, com o objetivo principal de captar, armazenar, transmitir ou processar informações além do controle de processos e servo mecanismos. Para o funcionamento de circuitos eletrônicos se faz necessária a utilização de tensões de correntes contínuas, como é o exemplo de uma pilha ou bateria. Portanto, se torna imprescindível a retificação da tensão alternada disponibilizada na rede elétrica. Este relatório irá descrever passo a passo a construção de uma fonte de tensão simétrica regulável, material necessário para tal projeto e seu funcionamento. Demonstrando ainda todos os testes aplicados ao projeto em laboratório, para a verificação de seu correto funcionamento antes de sua montagem final. 3

2 - Descrição do projeto Este projeto tem como objetivo, montar uma fonte de tensão simétrica regulável, variando entre 1,2 e 20 volts. Tais fontes devem fornecer tensões positiva e negativa iguais em torno de uma referência comum de 0V ou terra (GND). Esta fonte deverá ainda, conter uma saída de tensão fixa de 5 volts. Tendo como necessidade para este projeto, uma considerável diminuição na tensão da rede de alimentação, usou-se para o devido fim um transformador abaixador, passando a tensão de entrada de 220 Volts, para uma tensão de 18 volts, com capacidade de fornecer uma corrente de até 0,8 ampéres. A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada, ao passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua, então se faz necessário retificá-la, e isto é feito através de um circuito retificador, que converte corrente alternada em corrente contínua. Seu funcionamento será descrito a seguir. 3 - O retificador O diodo tem a característica de conduzir corrente somente num sentido e, devido a esta característica unidirecional o mesmo é utilizado para retificar, transformando a tensão senoidal de entrada da rede elétrica em uma tensão contínua pulsante. O anodo apresenta-se como o lado positivo do componente, sendo o catodo o negativo. O diodo só conduz corrente quando polarizado diretamente, ou seja, quando o positivo da senoide atinge o anodo do mesmo, permanecendo bloqueado (se diz em aberto) quando polarizado reversamente (inversamente). O diodo deve suportar uma tensão reversa maior do que a tensão de pico e uma corrente direta maior que a corrente da fonte. 3.1 - Funcionamento do circuito retificador O método de retificação utilizado neste projeto foi o de meia onda. Nos moldes do desenho a seguir: Para o ponto A positivo em relação a B, o diodo está polarizado diretamente e conduz. A corrente circula de A até B passando pelo diodo e RL. Para o ponto A negativo em relação a B, o diodo está polarizado inversamente e não conduz. Tem-se corrente em RL somente nos semiciclos positivos de entrada. 4

3.2 - Filtro para a o circuito retificador A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande, o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. Torna-se então necessário fazer uma filtragem da tensão de saída do retificador. A maneira mais simples de efetuar esta filtragem, é ligar um capacitor de alta capacitância em paralelo com a carga RL e, normalmente utiliza-se um capacitor eletrolítico. A função deste capacitor é reduzir tal ondulação. Quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte. Esta filtragem nivela a forma de onda na saída, tornando-a mais próxima de uma tensão contínua pura, que é a tensão de uma bateria ou pilha. Como a tensão da rede é de 60Hz, o capacitor se recarrega 60 vezes por segundo. Obs. O voltímetro de tensão contínua indica o valor médio da tensão medida. 3.3 Configuração final do retificador e funcionamento do circuito Por tratar-se de uma fonte simétrica, a configuração final do circuito da-se como se fossem duas fontes de meia onda montadas em conjunto, conforme esboço abaixo: Obs.: R1 e R2 apenas estão representando a carga RL aplicada à saída do sistema. 5

3.3.a - Semiciclo positivo No semiciclo positivo o diodo D2 conduz e carrega o capacitor C2 com o valor máximo de tensão (Vmax). Assim que a tensão de entrada cair a Zero, o diodo para de conduzir e o capacitor passa a descarregar-se lentamente em R2. Quando a tensão de entrada fica negativa (semiciclo negativo) o diodo D2 não conduz e o capacitor continua descarregando lentamente em R2. 3.3.b - Semiciclo negativo No semiciclo negativo, quem conduz é o diodo D1, que carrega o capacitor C1 com o valor máximo de tensão (Vmax). Assim que a tensão de entrada subir a zero, o diodo D1 para de conduzir e o capacitor passa a descarregar-se lentamente em R1. Quando a tensão de entrada fica positiva (semiciclo positivo) o diodo D1 não conduz e o capacitor continua descarregando lentamente em R1. 4 - Dimensionamento dos capacitores Para o cálculo de dimensionamento do capacitor de ripple, levou-se em consideração a tensão eficaz real do transformador utilizado no projeto, medida com a utilização de um voltímetro digital (Vef = 18,6V). 6

4.1 - Tensão de pico A tensão medida na rede denomina-se tensão eficaz, para calcularmos a tensão de pico utiliza-se a seguinte fórmula: Vp = Vef. 2 Vp = 18,6. 2 Vp = 26,30V Tal tensão é possível de ser observada somente com o auxílio de um osciloscópio. 4.2 - Tensão máxima No retificador de meia onda a tensão máxima no capacitor, é o pico de tensão de entrada menos 0,7V (queda de tensão no diodo), Vmax = Vef. 2 Vd. Vmax = Vp Vd Vmax = 26,30 0,7 Vmax = 25,60V 4.3 - Tensão de ripple Tensão de ripple denomina-se a variação de tensão entre a carga total e a descarga do capacitor. Adotou-se para o sistema, uma variação de 12%, considerando-se a necessidade de que a tensão média fique estabilizada acima dos 20 volts, que é o valor de tensão desejado na saída do sistema. Vripple = 12% Vripple = 12. 25,60 100 Vripple = 3,07V 4.4 - Tensão mínima Tal tensão, é também observada somente com o auxílio de um osciloscópio. Vmin = Vmax Vripple Vmin = 25,60 3,07 Vmin = 22,53V 4.5 - Tensão média É a tensão que pode ser medida utilizando-se um voltímetro de tensão contínua. Vmed = Vmax + Vmin 2 Vmed = 25,60 + 22,53 2 Vmed = 24,07V 7

4.6 - Resistência na carga Carga ôhmica suposta na saída, para posterior cálculo do capacitor utilizado para estabilização do sistema. R = V I R = 24,07 0,8 R = 30,09Ω Considera-se V a tensão média e I a corrente máxima fornecida pelo transformador. 4.7 - Capacitor de estabilização da tensão (Capacitor de ripple) Capacitor de ripple: Capacitor comercial = 4700 μf C = Vmax Vripple = Vmax Vripple. f. R C. f. R C = 25,60 Vripple = 25,60 3,07. 60. 30,09 4700μF. 60. 30,09 C = 4619μF Vripple = 3,02V O capacitor de valor comercial mais aproximado do cálculo feito é o de 4700μF. Refazendo-se o cálculo, encontramos o valor de 3,02V para a tensão de ripple. Foram utilizados 2 capacitores eletrolíticos de 4700μF de 35V (C1 e C2), levando -se em conta que a tensão de trabalho do mesmo deve ser igual ou superior a tensão máxima fornecida pelo sistema, a qual ficou em 25,60V, conforme cálculo feito anteriormente. 4.8 - Tensão média após estabilização do sistema Tensão Mínima: Tensão Média: Vmin = Vmax Vripple Vmed = Vmax + Vmin 2 Vmin = 25,60 3,02 Vmed = 25,60 + 22,58 Vmin = 22,58V 2 Vmed = 24,09V 8

5 - Dimensionamento dos diodos Sabendo-se que o diodo deve suportar uma tensão reversa maior do que a tensão de pico e uma corrente direta maior que a corrente da fonte, levaremos em consideração para o dimencionamento dos diodos a tensão reversa em cima do mesmo. 5.1 - Tensão reversa no diodo Através do desenho a seguir podemos observar que a tensão reversa em cima do diodo fica em torno do dobro da tensão de pico (Vrev = -2Vp), pois a tensão da fonte soma-se com a tensão de carga do capacitor. Vrev = Vp Vc Vrev = 26,3 25,6 Vrev = 51,9V Foram utilizados 2 diodos PR3002 (D1 e D2), responsáveis pela retificação da tensão alternada de entrada (onda senoidal) e, que conforme datasheet, suportam uma tensão de 70V RMS, 100V de tensão reversa e uma corrente de 3 Ampéres. Servindo perfeitamente para o propósito em questão. 6 - Cálculo da potência na carga Destina-se a dimensionar a potência dos resistores que serão conectados à saída da fonte durante testes em laboratório, evitando assim a queima dos mesmos. O cálculo da potência foi feito em cima da tensão de saída dos reguladores (LMs) que serão utilizados no projeto e a carga anteriormente calculada para a resistência. P = V² R P = 20² 30,09 P = 13,29W 9

7 - Estabilização da tensão de saída 7.1 - Saídas simétricas Para se alcançar a variação de tensão pretendida entre 1,2V e 20V, utilizou-se dois reguladores de tensão: - LM317, responsável pela estabilização da parte positiva do sistema; - LM337, responsável pela estabilização da parte negativa do sistema. Os quais atendem perfeitamente ao requisito do projeto, suportando segundo o datasheet, uma tensão de 40V e picos de corrente de 3,5 ampéres. A variação de tensão será feita através da utilização de dois trimpots de 2KΩ instalados na entrada de ajuste dos dois LMs. Segue o esquema de ligação: Os dois resistores de 120Ω tem a função de, quando o trimpot todo aberto, manter uma queda de potencial em relação ao GND, mantendo a tensão na saída estabilizada em 1,2 volts. Os capacitores de 10 e 22μF na sa ída do circuito, tem a função de corrigir algum eventual ruído, bem como suprir um eventual pico de corrente exigido pela carga a ser conectada à saída. 7.2 - Saída fixa de 5V Para a obtenção dos 5V de tensão fixa de saída da fonte, foi utilizado um regulador de tensão LM7805. O qual, segundo datasheet, suporta uma tensão de 35V e picos de corrente de 2,2 ampéres. Neste não haverá a possibilidade de variação da tensão de saída assim como nos dois anteriores. O esquema de ligação está representado a seguir: 10

O capacitor de 0.22μF tem a mesma fun ção dos dois liga dos às saídas do esquema anterior, o de corrigir algum eventual ruído, bem como suprir um eventual pico de corrente exigido pela carga a ser conectada à saída. 8 - Esquema elétrico final do projeto Foi ainda, implementado no sistema um Led, para indicar o estado de funcionamento da fonte. Sendo este ligado em série com um resistor de 510Ω, para queda de tensão em cima do Led, evitando assim sua queima. Ficando assim o projeto, conforme esquema a seguir: Também foi implementado ao primário do trafo, uma chave duas posições (110-220V) e um interruptor (Liga-Desliga), os quais não aparecem no esquema do circuito. 9 - Testes em laboratório Após montagem do circuito em Proto-board, foram executados os testes em cima do projeto, verificando sua eficiência e permitindo a correção de algum eventual problema a ser diagnosticado. 11

10 - Formas de onda 10.1 - Na saída do transformador Nas imagens abaixo temos a onda senoidal na saída do transformador. Onde, na primeira podemos observar o valor de pico da tensão, ficando por volta dos 26,3V conforme cálculo anteriormente feito. Na segunda imagem, podemos observar um achatamento na onda senoidal, a qual acaba ocasionando uma queda no valor máximo de tensão fornecida ao sistema. Queda esta causada pela alta corrente drenada do sistema pela carga de 33Ω ligada as saídas da fonte. Saída do trafo sem carga. Saída do trafo com carga de 33Ω. 12

10.2 - No diodo Na foto a seguir observamos a tensão reversa em cima do diodo, a qual conforme calculo feito anteriormente, ficou por volta de 51,9V. Motivo este, pelo qual o diodo deve suportar uma tensão reversa maior que a tensão de pico. Tensão reversa em cima do diodo. Para a melhor observação da onda, a escala foi elevada em duas divisões. 10.3 - No capacitor (ripple) Para se observar a tensão de ripple, foi ligada uma carga de 33Ω a cada uma das saídas simétricas do circuito (3 resistores de 100Ω e 10Watts, em paralelo). Onde se observou a seguinte forma de onda: Tensão de ripple (em cima dos capacitores de 4700μ). Conforme cálculo anteriormente feito, a tesão média observada em cima dos capacitores de ripple deveria ficar por volta dos 24,09V, porém podemos observar através da imagem a cima que esta tensão acabou ficando um pouco abaixo da desejada, isto se deve a queda de tensão fornecida pelo transformador já na entrada do sistema, devido à grande corrente exigida pela carga, conforme visto anteriormente nas imagens da onda senoidal da saída do transformador. 13

10.4 - Na carga 10.4.a - Após reguladores de tensão LM317 e LM337 Abaixo vemos as formas de onda nas saídas simétricas da fonte. Na primeira imagem temos as ondas de saída de tensão média com carga máxima de 33Ω conectada às saídas e com o trimpot totalmente aberto, ou seja, ajustadas para fornecerem tensão máxima de 20V na saída do sistema. Onde pode-se observar o ripple existente em ambas as saídas. Fornecendo uma tensão média de 17,8V no lado positivo e 19V no lado negativo. Na segunda imagem observamos a tensão de uma das saídas, com a mesma carga de 33Ω, juntamente com a tensão de ripple em cima do capacitor de 4700 μf, porém com trimpot totalmente fechado, tendo assim o sistema ajustado para fornecer 1,2V de tensão na saída da fonte. Onde observa-se a perfeita estabilização do sistema. Saídas ajustadas para 20V de tensão. Saída ajustada para 1,2V de tensão. 10.4.b - Após regulador de tensão LM7805 Na próxima imagem temos a forma de onda após o regulador de 5V, com carga máxima de 33 Ω conectada à saída. Onde podemos observar na parte superior da imagem o ripple em cima do capacitor de 4700μF e logo abaixo, a tensão de saída de 5V fornecida pela fonte. Saída fixa de 5V. 14

11 - Confecção do circuito impresso O Layout foi elaborado, com base na distribuição dos componentes sobre uma área de 10x10 cm (tamanho da placa adquirida). Depois de feita a transferência da imagem para a placa virgem por meio de processo térmico, foi feita a corrosão do cobre excedente em ácido percloreto de ferro, no qual a placa permaneceu submersa por um tempo médio de 25 minutos. Nas imagens a seguir vemos o layout original e o resultado final do processo, com a placa já devidamente furada para a posterior montagem dos componentes. Nas próximas imagens temos a placa já com os componentes soldados e o projeto concluído. Como pode-se observar nas imagens a cima, foi utilizado um dissipador de calor para os reguladores de tensão e conectores do tipo KRE tanto na entrada, para a alimentação do sistema, como nas saídas da fonte. 15

12 - Lista de materiais utilizados Transformador: 1 - Trafo com primário de acordo com a rede local e secundário de 18V. Resistores: 2-2KΩ Trimpot; 1-510Ω Resistor cerâmico de filme metálico; 2-120Ω 1% Resistor cerâmico de filme metálico. Semicondutores: 2 PR3002 Diodo retificador; 1 LM317 Circuito integrado (regulador de tensão); 1 LM337 Circuito integrado (regulador de tensão); 1 LM7805 Circuito integrado (regulador de tensão). Capacitores: 2 4700 μf x 35V Capacitor eletrolítico; 3 10 μf x 50V Capacitor eletrolítico; 1 22 μf x 50V Capacitor eletrolítico; 1 0,22 μf x 50V Capacitor eletrolítico. Diversos: 1 Placa de circuito impresso; 1 Led vermelho; 1 Dissipador de calor para os circuitos integrados; 2 Conectores duplos, passo 5mm; 1 Conector Triplo, passo 5mm; 1 Chave duas posições; 1 Interruptor; Cabo de força, fios, estanho para solda, etc. 13 - Conclusão Através dos testes feitos em laboratório, pôde-se verificar o funcionamento do circuito elaborado neste projeto, sendo possível a variação de tensão conforme especificado no esquema inicial. Com a utilização do osciloscópio e voltímetro digital, pôde-se observar que a saída de 5V apresentou-se perfeitamente estabilizada mesmo com carga total, assim como as saídas simétricas quando ajustadas para baixa tensão (1,2V). Porém, os valores de tensão inicialmente calculados para o sistema de saída simétrica ajustados para 20V, quando conectados a uma carga de 33Ω ficaram abaixo do especificado, tendo assim a princípio, apresentado um resultado insatisfatório. 16

Observaram-se deformidades na tensão, tanto do lado positivo quanto do negativo das saídas simétrica, sendo que os reguladores de tensão (LMs) provocam uma queda de tensão por volta de 2 volts no sistema, o que já não se era esperado, agravando-se ainda mais pelo achatamento da tensão fornecida pelo transformador à entrada do sistema, devido a alta corrente drenada pela carga ligada à saída da fonte. Deduzindo-se assim que, para a obtenção da tensão inicialmente desejada, teríamos que substituir o transformador por um de maior tensão nominal. Porém, com uma carga maior (50Ω) conectada á saída da fonte, ela apresentou-se estável, ficando com valores satisfatórios de tensão na saída. E visto que, muito provavelmente, nunca conectaremos uma carga de impedância tão baixa na saída da fonte, gerando uma corrente tão elevada, ela atende satisfatoriamente os requisitos iniciais. Conclui-se assim que o projeto em questão apresentou-se satisfatório e, atenderá as necessidades futuramente exigidas a ele. 14 - Referências bibliográficas 1 - A História da Eletrônica. Disponível em: http://www.cursodeeletronica.com/mais eletronica/a eletronica.htm 2 - Maurício Caruzo Reis. Eletrônica Básica. Edição do autor. 3 - Circuitos Retificadores. Disponível em: http://ivairsouza.com/retificador_ponte.html 4 - Fontes Simétricas. Disponível em: http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/688 5 - LM317 - Terminal Adjustable Regulator. National Semiconductor. Disponível em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/ds009063.pdf 6 - LM337 - Terminal Adjustable Negative Regulator. National Semiconductor. Disponível em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/ds009067.pdf 7 - LM7805 Terminal Positive Voltage Regulator. Fairchild Semiconductor. Disponível em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/lm7805.pdf 8 - PR3002 Diode. Diodes Incorporated. Disponível em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/diodes/ds26014.pdf 17