Fonte Simétrica de Tensão Regulada utilizando Retificação de Meia

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:
C=

Vmax
Capacitor comercial = 4700 μF
Vripple = Vmax
Vripple . f . R
C=
C.f.R
25,60
3,07 . 60 . 30,09
Vripple =
C = 4619μF
25,60
4700μF . 60 . 30,09
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
Vmin = 22,58V
Vmed = 25,60 + 22,58
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 510
Ω, 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 conectadaàs 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