Centro de Educação Tecnológica de Santa Catarina Curso Técnico de Eletrônica

Centro de Educação Tecnológica de Santa Catarina Curso Técnico de Eletrônica José Mario Batista Tavella Fonte Linear Simétrica 12+12 / 750 ma Florianópolis 2007

JOSÉ MARIO BATISTA TAVELLA FONTE LINEAR SIMÉTRICA 12+12V / 750 ma Relatório técnico apresentado no curso técnico de eletrônica do Centro de Educação Tecnológica de Santa Catarina CEFET-SC como requisito para a aprovação na disciplina ELETRÔNICA BASICA Orientador: Prof. Clóvis Antônio Petry Florianópolis 2007 2

Inteligência é a arte de fazer distinções Autor desconhecido 3

RESUMO O objetivo deste projeto integrador, a construção de uma fonte linear, é capacitar os discentes a entender o comportamento de tensões e correntes, utilizando para isso uma, além de, através da manufatura desta, assimilar o comportamento dos elementos nela utilizados. Para cumprir o objetivo foi determinada a fonte a ser qual seria projetada uma fonte simétrica 12+12 /1 A. A fonte linear em questão transforma a tensão alternada de 220 V para 12 V. Para isso foi usado o transformador que reduz a tensão de 220V para 15V. No projeto e confecção do protótipo, foram utilizados um transformador, quatro diodos, quatro capacitores, dois reguladores de tensão, um LED, uma chave liga-desliga, um resistor, dois dissipadores de calor, dois parafusos, uma placa de circuito impresso, fios, um fusível, e, finalmente, uma caixa plástica para acomodação do protótipo. Todos os materiais usados estão disponíveis no mercado a preços moderados e para a produção da fonte foram utilizados ferro de solda e estanho, o software Eagle gerador de matriz de trilhas de circuito integrado, alicates, chaves de fenda e philips e fita isolante. Os equipamentos utilizados foram adquiridos ou fornecidos pela instituição a qual designou o projeto. Para a aquisição dos gráficos de ondas foi utilizado o osciloscópio do CEFET e para a verificação da temperatura nos diodos e reguladores de tensão foi usa do um sensor térmico. Para análise dos valores de tensão e corrente nos pontos relevantes foi utilizado um multímetro. Além do já citado, foram colocados diodos em ponte a fim de retificar a onda de tensão. Houve a introdução de capacitores de 1000 µf em paralelo, com o objetivo de diminuir o efeito Riplle. Reguladores de tensão foram utilizados para regular a tensão de saída, e, por último, colocou-se capacitores de 10 µf, visando a regularização da tensão em situações de aplicação de carga. Foi utilizado um LED Diodo emissor de luz para identificar a fonte quando ligada. O resultado obtido no final do projeto foi a existência de tensões esperadas quando não existe corrente atuando, mas, na existência de corrente, houve uma queda de tensão, sendo a máxima queda de tensão de aproximadamente 20%. Com este resultado ficou claro que esta fonte não sustenta um Ampère de corrente, mas continua eficaz para circuitos onde não é necessária uma grande precisão na tensão. 4

Lista de figuras Figura 1 Desenho esquemático de um transformador...10 Figura 2 Desenho gráfico de um transformador...10 Figura 3 Desenho esquemático de um diodo...10 Figura 4 Representação do diodo...10 Figura 5 Desenho esquemático do capacitor...11 Figura 6 Representação do capacitor...11 Figura 7 Foto de uma PCI...13 Figura 8 Capacitor eletrolítico 1000 F...16 Figura 10 Regulador 7812...16 Figura 11 Regulador 7912...16 Figura 12 Diodo...16 Figura 13 LED...16 Figura 14 Resistor...16 Figura 15 Transformador 220/15+15 1ª...17 Figura 16 Dissipador de calor...17 Figura 17 Onda da tensão nos secundários (matriz de contato)...18 Figura 18 Tensão média nos secundários.(matriz de contato)...18 Figura 19 Tensão média nos reguladores. (matriz de contato)...19 Figura 20 Tensão antes e após os reguladores (matriz de contato)...19 Figura 21 Esquemático da fonte...20 Figura 22 Desenho das trilhas...20 Figura 23 Foto da Fonte...20 Figura 24 Onda da tensão nos secundários...22 Figura 25 Tensão antes e após os reguladores, e corrente...22 Figura 26 Tensão antes e após os reguladores, e corrente...23 Figura 27 Tensão no capacitor e após o regulador...23 Tabela 1 Tensões em matriz de contato...17 Tabela 2 Tensões na PCI...21 Tabela 3 Temperatura dos semicondutores...21 5

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...7 2 FONTE LINEAR...9 2.1 Componentes...9 2.1.1 Transformador...9 2.1.2 Diodo...10 2.1.3 Capacitor...11 2.1.4 Regulador de tensão...12 2.1.5 LED...12 2.1.6 Chave (0.1)...12 2.1.7 Resistor...12 2.1.8 Dissipador de calor...12 2.1.9 Placa de circuito impresso...13 2.2 Funcionamento...14 3 MONTAGEM DA FONTE...16 3.1 Montagem em matriz de contato...17 3.1.1 Formas de onda da fonte em matriz de contato...18 3.2 Montagem na placa de circuito impresso...20 3.2.1 Formas de onda da fonte...22 4 CONCLUSÃO...24 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...25 6 ANEXO...26 6.1 Datasheets...26 6

1 INTRODUÇÃO Nos tempos atuais o conhecimento técnico se tornou bastante requisitado em função do imenso número de máquinas e equipamento cada vez mais diversos e complexos. Os produtos atuais estão se modificando e automatizando. A energia elétrica se tornou uma ótima forma de se conseguir, com menor esforço, produtos mais precisos e eficientes em termos energéticos. O Brasil está numa conjuntura de aperfeiçoamento em sua tecnologia e se tornou indispensável a existência de profissionais com conhecimento em eletrônica. Esta, a eletrônica, é um ramo da elétrica que visa o desenvolvimento, o comportamento e as aplicações de circuitos e dispositivos eletrônicos. O objetivo deste projeto é construir uma fonte linear de tensão bem como verificar seu funcionamento. Abaixo se tem um esquema demonstrativo das etapas da fonte aqui trabalhada. Rede elétrica Transformador Diodos Capacitor Regulador Capacitor Saída 12+12 A função da fonte em questão é transformar a tensão elétrica da nossa rede em uma tensão aplicável para outros fins (como circuitos eletrônicos) criando assim uma nova fonte de energia elétrica. A tensão da rede elétrica é muito elevada e para diminuir essa tensão usa-se um transformador. O transformador tem uma característica especial que é transformar tensões. A tensão da rede bem como após o transformador tem seus valores modificados a certos intervalos de tempo, como uma onda. Para que possamos trabalhar com correntes num só sentido utiliza-se os diodos que por sua confecção só deixa passar corrente num determinado sentido. Após os diodos são postos capacitores para que estes possam diminuir a amplitude da tensão a fim de torná-la mais uniforme. 7

Depois do capacitor é colocado o regulador que tem uma função semelhante ao capacitor mas não armazena energia e sim regula a corrente para que a tensão se estabilize ainda mais e tenhamos um tensão contínua. Após o regulador é instalado mais um capacitor para aumentar a estabilização da tensão. Assim a fonte obtém a tensão contínua, esperada, como saída. O trabalho apresentado é dividido em duas etapas. A primeira diz respeito ao projeto da fonte. Como ela funciona. Quais os componentes nela utilizados., e como seu comportamento. A segunda etapa constitui a montagem da fonte. 8

2 FONTE LINEAR Fonte Linear é uma fonte de energia elétrica que tem como saída uma função contínua para qualquer tempo podendo ser chaveada ou não-chaveada, de corrente ou tensão. No caso presente fala-se de uma fonte não chaveada de tensão contínua. Esta fonte sustenta uma determinada tensão com um mínimo de decréscimo fazendo com que o circuito o qual ela age como fonte seja sempre abastecido eletricamente a uma tensão constante. A fonte em questão é uma fonte linear simétrica 12+12 com tensões de saída +12 V, 0 V, -12V, e corrente máxima de 800 ma. 2.1 COMPONENTES Para a criação desta fonte foi necessário 1 transformador 220/15+15 de 1A, 2 capacitores de 1000 µf x 25V, 4 diodos 1N4007, 1 regulador positivo de tensão 7812, 1 regulador negativo de tensão 7912, 2 capacitores de 10 µf x 50V, 1 LED, 1 chave liga-desliga, 1 resistência de 4700 Ω, 2 dissipadores de calor, placa de circuito impresso, e fios. 2.1.1 TRANSFORMADOR O transformador (figura11) é um componente formado por duas bobinas isoladas enroladas em um núcleo feito de material condutor para que este tenha uma forte influência do campo magnético. A corrente ao passar pela primeira bobina a qual chamamos de primário cria uma campo magnético. Por a tensão se alternar entre o pico positivo e o negativo como uma onda pela lei da indução de Faraday a variação do fluxo magnético cria uma corrente elétrica. Esta corrente a qual chamamos de corrente induzida é criada no terminal secundário do transformador de acordo com a fórmula abaixo. Em que (n) é o número de espiras da bobina e V é a tensão empregada no primário e secundário 9

Figura 1 Desenho esquemático de um transformador Figura 2 Desenho gráfico de um transformador 2.1.2 DIODO Diodo (figura 8) é um semicondutor condutor somente sob certa tensão nele aplicada que tem por finalidade filtrar correntes em determinados sentidos. O diodo é feito de dois materiais distintos no qual um contém uma carga positiva (possui menos elétrons que prótons) sendo um cátion e outro contém mais elétrons que prótons sendo constituído por ânions. Na junção dos dois materiais ocorre uma neutralização de cargas e esta barreira só é quebrada sob ação de energia externa, ou seja, só haverá corrente sob determinada tensão. Sendo assim o diodo é capaz de estabelecer o sentido da corrente. Este se danifica quando aplicado a uma tensão reversa maior ao que sustenta. Figura 3 Esquema gráfico de um diodo Figura 4a Diodo diretamente polarizado Figura 4b Diodo reversamente polarizado 10

2.1.3 CAPACITOR Capacitor (figura 7) é um componente que acumula energia num campo eletrostático. Como é extremamente sensível a variações na tensão ele é usado na fonte linear como sustentador da tensão distribuindo cargas elétricas a fim de manter uma mesma tensão. Com isso a tensão sofre uma queda bem menor e sua onda transforma-se diminuindo a variação da tensão. Ele é constituído de dois condutores isolados, chamados de armaduras, separados por um material isolante. O capacitor por ter suas armaduras separadas por isolante não deixa que passe corrente alguma, salvo se este está ligado a uma tensão maior da qual suporta. Quando isso acontece é criado um arco voltaico danificando o capacitor. Ao ligar o mesmo em diferentes potenciais elétricos uma armadura é carregada eletricamente positiva e outra eletricamente negativa ocorrendo assim um armazenamento de energia num campo elétrico. Quando esta diferença de potencial cai, ele se descarrega, por estar sujeito a uma tensão maior tendendo a sustentar no caso de uma tensão alternada as tensão de pico. Figura 5 Esquema de um capacitor Figura 6 representação de um capacitor 11

2.1.4 REGULADOR DE TENSÃO O regulador de tensão (figura 6) é um componente que tem como função fixar a tensão em determinado valor. Para isso ele se constitui de três terminais em que um terminal serve para a entrada da corrente, outro para a saída da corrente em tensão constante estabelecida pelo fabricante, e um terceira para a saída da corrente que será desperdiçada para que seja fixada a tensão. Esta corrente vai direto para o terra criando uma tensão entre o terminal de saída e o de entrada. 2.1.5 LED LED é uma abreviação em inglês (Light Emitting Diode) que significa diodo emissor de luz. Ele é um diodo que ao passar uma corrente emite uma luz acusando esta passagem de corrente. Na fonte ele é usado para identificar que a mesma está ligada. 2.1.6 CHAVE LIGA DESLIGA É uma chave de duas posições modificadas mecanicamente sendo que uma abre e outra fecha o circuito em questão. 2.1.7 RESISTOR É um componente que tem como função resistir à passagem de corrente. Na fonte é usado para limitar a corrente que passa pelo LED. 2.1.8 DISSIPADOR DE CALOR É o componente responsável pela dissipação de calor do regulador, que quando sujeito a uma elevada corrente aquece muito rapidamente. 12

2.1.9 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO A placa de circuito impresso é formada por fenolite e tem como função conduzir corrente entre um ponto e outro. Ela é revestida de um lado por material condutor. Quando já desenhadas as trilhas nas quais passaram corrente ela é sujeita à corrosão deixando só as trilhas no lado oposto ao que será colocado os componentes. Figura 7 Placa de ircuito impresso 13

2 FUNCIONAMENTO A fonte funciona da seguinte maneira: O transformador de 220 / 15+15 transforma a tensão da rede (220 V) em 15 V positivo e 15 V negativo. A tensão de pico fica em torno de 21 V e a tensão pico a pico fica em torno de 42V. Depois da transformação de tensão a mesma continua em onda alternando entre picos positivos e negativos na mesma freqüência da rede (60Hz). Depois são colocados os diodos, no pólo positivo é colocado um diodo polarizado normalmente e no pólo negativo também é colocado um diodo polarizado normalmente ambos tendo seu terminal de saída o mesmo ponto elétrico. Assim o diodo localizado no pólo positivo deixa passar somente o ciclo positivo e o diodo localizado no pólo negativo transfere seu semi-ciclo negativo como positivo. Os diodos por serem semicondutores trabalham a partir de uma tensão de aproximadamente 0,7 V provocando uma queda de tensão na faixa de 1,4 V. Na constituição da parte negativa da fonte acontece algo semelhante só que os diodos são postos com polaridade invertida tanto no pólo positivo quanto no pólo negativo. Aí então são postos os capacitores de 1000 micro Faraday em paralelo entre os pontos após os diodos e o terra. Assim a onda retificada pelos diodos não obtém uma variação brusca de tensão e possui em tempo qualquer tensão maior do que os doze Volts da saída. Assim a onda fica pronta para passar pelos reguladores. Os reguladores de tensão 7812 para a parte positiva e 7912 para a parte negativa possuem 3 terminais, entrada, saída, e terra. A entrada é posta no mesmo ponto elétrico do pólo positivo do capacitor, a saída cria um novo ponto elétrico e o terra é ligado no terra. O regulador recebe a onda retificada pelos diodos e transformada pelos capacitores. O regulador então deixa passar somente 12 V sendo que o restante forma a queda de tensão entre a entrada e saída do regulador. A corrente que passaria a mais não chega na saída ela vai direto para o terra deixando o novo ponto elétrico em 12 V. São introduzidos então os capacitores de 10 micro Faraday em paralelo entre a saída do regulador e o terra com a função de diminuir o efeito riplle quando uma corrente esta atuando. Sendo assim a fonte termina com a tensão desejada +12 / 0 / -12. 14

A parte negativa funciona de modo semelhante à positiva tendo como seu potencial elétrico maior o terra. 15

3 MONTAGEM DA FONTE A montagem da fonte foi feita em duas etapas, primeiro foi feita uma montagem na Prothoboard, a fim de saber se realmente a fonte funcionaria e depois foi feita a montagem no circuito impresso para a fonte ser concluída. Componentes da fonte: Dois capacitores de 1000 µf x 25 V...R$ 0,68 Dois capacitores de 10 µf x 25 V...R$ 0,13 Um regulador de tensão 7812... R$ 1,15 Um regulador de tensão 7912... R$ 1,15 Um LED... R$ 0,19 Um Transformador 220/15+15 1ª... R$ 12,90 Dois dissipadores de calor... R$ 0,00 Cinco fios... R$ 0,00 quatro Diodos 1N4007... R$ 0,05 dois Parafusos... R$ 0,09 Placa de circuito impresso...... R$ 0,00 1 Resistor de 4700Ω...R$ 0,03 Os valores são todos unitários e os componentes que não possuem preço foram todos doados por colegas ou pelo próprio CEFET. Figura 8 Capacitor eletrolítico de1000 µf x 25 V Figura 9 Capacitor eletrolítico de10 µf x 50 V Figura 10 Regulador de tensão 7812 Figura 11 Regulador de tensão 7912 Figura 12 Diodo 1N4007 Figura 13 LED Figura 14 Resistor de 4700 Ω 16

Figura 15 Transformador 220/15+15 1A Figura 16 Dissipador de calor 3.1 Montagem em matriz de contato Com a fonte montada na matriz de contato foram colhido dedos referente a tensão entre principais pontos elétricos Tabela 1 Tensão nos principais pontos elétricos Tensão em matriz de contato sem carga (Volts) ½ carga (Volts) Tensão no 1º (rms) secundário +15 / 0 14,4 11,9 Tensão no 2º (rms) secundário 0 / -15 14,4 11,9 Tensão no Capacitor 1 (positivo) 19,51 14,09 Tensão no Capacitor 2 (negativo) 19,62 14,36 Tensão no terminal de saída positivo +12 / 0 12,05 12,03 Tensão no terminal de saída negativo 0 / -12 12,25 12,24 Tensão entre os dois terminais +12 / 0 24,30 24,27 17

3.1.1 Ondas na matriz de contato Figura 17 Onda da tensão no secundário positivo Canal 1 Onda da tensão no secundário negativo Canal 2 Figura 18 Tensão média no secundário positivo (Canal 1) Tensão média no secundário negativo (Canal 2) 18

Figura 19 Tensão entre os terminais de entrada e saída do reg. 7812 (canal 1) ; Tensão entre os terminais de entrada e saída do reg. 7812 (Canal 2) Figura 20 Tensão antes do regulador positivo (ref. 1) Tensão antes do regulador negativo (ref. 2) Tensão após do regulador positivo (Canal 1) Tensão após do regulador negativo (Canal 2) 19

3.2 Montagem na PCI A montagem na PCI aconteceu da seguinte maneira: Foi feito um esquemático no software (Eagle) e desenho das trilhas da PCI no mesmo programa Figura 21 Esquema da fonte gerada por software EAGLE Figura 22 Desenho das trilhas gerado por software EAGLE O desenho das trilhas foi feito de maneira a utilizar o menor espaço possível entre os componentes. As trilhas compõem um lado da placa e os componentes são colocados no outro. Foi então a partir do método de passar roupa desenhadas as trilhas na PCI. Depois foi feita a corrosão esta realizada no próprio CEFET. Figura 23 Fonte 20

Os valores das tensões bem como das temperaturas registrados estão descritos nas tabelas abaixo. Tabela 2 Tensão nos pontos da placa Tensão na placa de circuito impresso sem carga (Volts) ½ carga (Volts) Carga completa Tensão no 1º (rms) secundário +15 / 0 14,4 11,9 10,71 Tensão no 2º (rms) secundário 0 / -15 14,4 11,9 10,75 Tensão no Capacitor 1 (positivo) 19,51 14,09 13,08 Tensão no Capacitor 2 (negativo) 19,62 14,36 13,23 Tensão no terminal de saída positivo +12 / 0 12,05 12,03 10,71 Tensão no terminal de saída negativo 0 / -12 12,25 12,24 10,79 Tensão entre os dois terminais +12 / 0 24,30 24,27 21,51 Tabela 3 Temperatura dos componentes Temperatura ºC Regulador Regulador Diodos 7812 7912 ½ carga 36 ºC 38 ºC 32 ºC Carga completa 47 ºC 44 ºC 36 ºC 21

3.2.1 Ondas registradas por osciloscópio Figura 24 Onda da tensão no secundário positivo Canal 1 Onda da tensão no secundário negativo Canal 2 Figura 25 Tensão antes do regulador 7812 (Ch1) Tensão após o regulador (Ch2)m; Corrente (Ch3) Dados de teste com ½ carga 22

Figura 26 Tensão antes do regulador 7912 (Ch1) Tensão após o regulador (Ch2); Corrente (Ch3) Dados com teste com ½ carga (parte negativa) Figura 27 Tensão no capacitor de 1000 micro Faraday (Ch1) Tensão após o regulador (Ch2) Testes realizador com ½ carga 23

Conclusão A partir dos testes efetuados foi constatado que a fonte, que a princípio teria uma corrente máxima de 1A, não obteve este valor de corrente como máxima, mas sim 771mA. A fonte projetada mostrou-se então eficaz para cargas de resistência acima de 24 Ohms mantendo uma queda de tensão de menos de 10%. Já para cargas menores ela deixa de ser tão eficiente tendo uma queda de tensão entre (10 e 20) % não sustentando corrente maior que 750 ma. Portanto ela é recomendada para circuitos que não precisem de uma forte precisão em relação à tensão e que não necessitem de uma corrente elevada. 24

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS http://www.datasheetarchive.com acessado em 8/07/2007 http://www.epcos.com/inf acessado em 8/01/2007 http://www.cefetsc.edu.br acessado em 8/01/2007 HALLIDAY, D.; HESNICK, R.; KRANE, K.S. Fisica 3 4 ª Edição MALVINO, A. P. Eletrônica Vol 1 4 ª Edição 25

Anexo Datasheets dos componentes envolvido no preparo da fonte 26

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DIODO 4007 35

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Capacitor eletrolítico 37

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