Projeto Fonte de Alimentação e Controlador de Motor CC

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
Sumário
1.
INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 4
2.
DESCRIÇÃO DO PROJETO .................................................................................................................... 5
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3.
CÁLCULOS DO PROJETO .................................................................................................................... 10
3.1
3.2
4.
– MONTAGEM DO CIRCUITO EM PROTO BOARD ........................................................................... 12
– FUNCIONAMENTO E FORMAS DE ONDA DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO ..................................... 12
– FUNCIONAMENTO E MEDIÇÕES DO CONTROLADOR DO MOTOR CC ........................................ 16
CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO ............................................................................................................ 18
5.1
5.2
5.3
6.
– VALORES DE TENSÃO DO TRANSFORMADOR ............................................................................ 10
– VALOR DO RESISTOR DO TRANSISTOR...................................................................................... 11
SIMULAÇÃO DO PROJETO ................................................................................................................. 12
4.1
4.2
4.3
5.
– FONTE DE ALIMENTAÇÃO ............................................................................................................. 5
– CIRCULAÇÃO DA CORRENTE NO CIRCUITO ................................................................................. 6
– FILTRO CAPACITIVO ..................................................................................................................... 7
– REGULADORES DE TENSÃO (FAMÍLIA 78XX).............................................................................. 8
– CONTROLADOR DE MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) ...................................................... 9
– PROJETO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI)................................................................. 18
– PREPARAÇÃO DA PCI ................................................................................................................ 18
– MONTAGEM E INSERÇÃO DOS COMPONENTES........................................................................... 20
AVALIAÇÃO DO PROTÓTIPO ............................................................................................................. 21
6.1
6.2
6.3
6.4
– PROJETO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI)................................................................. 21
– APRESENTAÇÃO DA PLACA EM FUNCIONAMENTO .................................................................... 23
– FORMA DE ONDA DO CAPACITOR .............................................................................................. 23
– FORMA DE ONDA DO CIRCUITO INTEGRADO ............................................................................. 24
7.
LISTA DE MATERIAIS ......................................................................................................................... 26
8.
CONCLUSÃO ..................................................................................................................................... 27
9.
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................... 28
2
Índice de Ilustrações
Figura 1 – Diagrama de Bloco............................................................................................................. 4
Figura 2 – Circuito da Fonte de Alimentação ..................................................................................... 5
Figura 3 – Formas de Onda 1 ............................................................................................................. 5
Figura 4 - Formas de Onda 2 .............................................................................................................. 5
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.............................................................................. 12
Figura 12 – Simulação do Circuito .................................................................................................... 13
Figura 13 – Forma de Onda na entrada da fonte ............................................................................. 13
Figura 14 – Forma de onda dos capacitores 1 ................................................................................. 14
Figura 15 – Forma de onda dos capacitores 2 ................................................................................. 14
Figura 16 – Forma de onda do regulador 1 ...................................................................................... 15
Figura 17 – Forma de onda do regulador 2 ...................................................................................... 15
Figura 18 – Teste de tensão em repouso ......................................................................................... 16
Figura 19 – Teste de tensão mínima ................................................................................................ 16
Figura 20 – Teste de tensão normal ................................................................................................. 17
Figura 21 – Teste de tensão máxima................................................................................................ 17
Figura 22 – Impressão da PCI (Colorida) .......................................................................................... 18
Figura 23 – Impressão da PCI (Preto e Branco) ................................................................................ 18
Figura 24 – PCI impressa .................................................................................................................. 19
Figura 25 – PCI concluída ................................................................................................................. 19
Figura 26 – Montagem da Placa (Vista Superior) ............................................................................. 20
Figura 27 – Montagem da Placa (Vista Inferior)............................................................................... 20
Figura 28 – Teste final com tensão inferior (repouso) ..................................................................... 21
Figura 29 – Teste final com tensão mínima ..................................................................................... 21
Figura 30 – Teste final com tensão normal ...................................................................................... 22
Figura 31 – Teste final com tensão máxima ..................................................................................... 22
Figura 32 – Versão final do projeto .................................................................................................. 23
Figura 33 – Forma de Onda do capacitor ......................................................................................... 23
Figura 34 – Forma de onda do CI LM555 - Repouso ........................................................................ 24
Figura 35 – Forma de onda do CI LM555 - Inicial ............................................................................. 24
Figura 36 – Forma de onda do CI LM555 - Normal .......................................................................... 25
Figura 37 – Forma de onda do CI LM555 - Máxima ......................................................................... 25
3
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
2. Descrição do projeto
2.1 – Fonte de Alimentação
Será utilizado um transformador com TAP central como fonte de alimentação,
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 1N4007.
1N4007
I Saída = 500mA
VCC +
LM 7812
C1
220V
C2
C3
12V
GND
C1
C2
C3
LM 7912
1N4007
VCC I Saída = 500mA
Figura 2 – Circuito da Fonte de Alimentação
A utilização dos diodos tem por objetivo retificar ou corrigir o semi ciclo negativo
apresentado na Corrente 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: http://www.newtoncbraga.com.br – Retificador de Meia Onda
5
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
I Saída = 500mA
VCC +
LM 7812
C1
220V
C2
C3
12V
GND
C1
C2
C3
LM 7912
VCC -
1N4007
I Saída = 500mA
Figura 5 – Semi Ciclo Positivo
Semi-ciclo Negativo
1N4007
I Saída = 500mA
VCC +
LM 7812
C1
220V
C2
C3
12V
GND
C1
C2
C3
LM 7912
1N4007
VCC I Saída = 500mA
Figura 6 – Semi Ciclo Negativo
6
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
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: www.DatasheetCatalog.com – Regulador LM78XX (KA78XX, MC78XX) Fairchild
8
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
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 = (16,97 + 14,8) / 2
Vmed = 15,54V
Vr = Vmax − Vmin
Vr = (16,97 - 14,8)
Vr = 1,47V
10
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):
1
βsat = ( + x Bmin
10
.
β sat = -./0 x 1000
1234 = 100
56789 =
5:789
βsat
190 < 10=>
56789 =
100
?@ABC = , DE
FG =
HIJ9 − HGK
5G789
FG =
12 − 0,7
1,9 < 10=>
RB = 5,95KΩ (valor comercial adotado de 6,8KΩ)
11
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
Figura 12 – Simulação do Circuito
Figura 13 – Forma de Onda na entrada da fonte
13
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
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
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
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
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
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
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
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
Figura 30 – Teste final com tensão normal
Figura 31 – Teste final com tensão máxima
22
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:
Figura 32 – Versão final do projeto
6.3 – Forma de Onda do Capacitor
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
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
Figura 36 – Forma de onda do CI LM555 - Normal
Figura 37 – Forma de onda do CI LM555 - Máxima
25
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
1
1
1
2
4
2
2
2
1
1
5
Descrição
Transformador 220V / +12-12V 500mA
Placa de Circuito Impresso de Fenolite;
Chapa de madeira
Diodo 4007
Capacitor Eletrolítico 2200uF 50V
Capacitor Eletrolítico 1500uF 50V
Capacitor Poliester 100nF 100V
Capacitor Poliester 330nF 250V
Regulador de Tensão LM7805
Regulador de Tensão LM7905
Conectores
Lista de Materiais - Controlador do Motor
Unidade
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
1
1
1
5
1
Descrição
Potenciômetro 100KOhm
Placa de Circuito Impresso de Fenolite;
Cooler 12Vdc 190mA
Chapa de madeira
Capacitor Cerâmico 10nF 25V
Capacitor Cerâmico 100nF 25V
Resistor 1/4W - 1KOhm
Resistor 1/4W - 5,6KOhm
Resistor 1/4W - 10KOhm
Diodo 4148
Diodo 4007
Transistor TIP120
CI LM555
Conectores
Jumper
26
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
9. Bibliografia
Wikipedia – Retificador de Meia Onda
http://www.newtoncbraga.com.br – Retificador de Meia Onda
Site Eletronica 24H – Formas de onda
Fairchild - www.DatasheetCatalog.com – Regulador LM78XX (KA78XX,
MC78XX)
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