Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia

Engenharia Industrial Elétrica

Taís Vieira Cananéa

PROJETO DE FONTES DE TENSÃO

Salvador, Bahia

Março de 2016

Taís Vieira Cananéa

PROJETO DE FONTES DE TENSÃO

Relatório apresentado como avaliação parcial da disciplina de Eletrônica Geral I, do curso de graduação em Engenharia Industrial Elétrica, do Instituto Federal da Bahia - IFBA, sob orientação da professora Maria das Graças Rego.

Salvador, Bahia

Março de 2016

Sumário1. OBJETIVO.........................................................................................................................4

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA..................................................................................................5

3. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................................7

3.1 MATERIAIS.....................................................................................................................7

3.2 MÉTODOS......................................................................................................................7

3.2.1 EXPERIMENTO 1.....................................................................................................7

3.2.2 EXPERIMENTO 2...................................................................................................10

4. CÁLCULOS.....................................................................................................................13

5. RESULTADOS................................................................................................................14

6. CONCLUSÃO..................................................................................................................15

7. REFERÊNCIA BIBILIOGRÁFICA....................................................................................16

1. OBJETIVOO experimento consiste em duas montagens. Na primeira montagem o objetivo é

a realização de uma fonte DC utilizando uma ponte retificadora de 4 diodos para

uma carga de 2,2KΩ. Obter um fator de ondulação de 0,5% utilizando um diodo

Zener (8.2V/0.5W) para estabilizar a tensão de saída em série com um LED

Vermelho de sinalização sendo alimentado por uma carga 3,3KΩ.

Na segunda etapa incrementamos o experimento utilizando um regulador de

tensão variável (LM317) e um potenciômetro de 40KΩ.

2. INTRODUÇÃO TEÓRICAO diodo Zener é um tipo especial de diodo que é constituído de silício otimizado

para operar na região de ruptura, por isso algumas vezes ele também é conhecido

como diodo de ruptura. É o elemento principal dos reguladores de tensão, é utilizado

para garantir que os circuitos mantenham a tensão na carga quase constante,

independentemente da alta variação de tensão de linha e na resistência da carga.

Figura 1 - Diodo Zener ideal Figura 2 - Diodo Zener real

Na figura 1 podemos considerar a região de ruptura como uma linha vertical. Isto

quer dizer que a tensão de saída (VZ) será sempre constante, embora haja uma

grande variação de corrente, o que equivale a ignorar a resistência zener.

Isto significa que num circuito o díodo zener pode ser substituído por uma fonte

de tensão com resistência interna nula.

Na figura 2 deve ser levada em consideração a resistência zener (RZ) em série

com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistência

produzirá uma queda de tensão maior.

Isto quer dizer que na região de ruptura a linha é ligeiramente inclinada, isto é,

ao variar a corrente haverá uma variação, embora muito pequena, da tensão de

saída (VZ). Essa variação da tensão de saída será tanto menor quanto menor for a

resistência de zener.

Figura 3 - Regulador de Tensão

Um diodo Zener às vezes também é chamado de diodo regulador de tensão, por

que ele mantém uma tensão de saída constante, embora haja uma variação de

corrente. Um resistor R em série é sempre usado para limitar a corrente de Zener

em um valor abaixo de sua corrente máxima nominal. Caso contrário, o diodo Zener

queimaria como qualquer outro dispositivo submetido a uma potência muito alta.

O díodo retificador se comportava quase como isolador quando a polarização

era inversa. O mesmo se passa com o díodo Zener até um determinado valor da

tensão (VZ), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente. Essa explicação é

dada pela teoria do efeito de Zener e o efeito de avalanche.

Efeito de Zener – ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor

(VZ) é rompida a estrutura atómica do díodo e vencida a zona neutra, originando

assim a corrente eléctrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões

inversas VR <5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem

(percentagem de impurezas) do silício ou do germânio.

Efeito de avalanche – Para tensões inversas VR >7 Volt, a condução do díodo é

explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da

tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas. A velocidade

atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos semicondutores,

através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados libertam outros,

originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito de avalanche.

Para tensões inversas VR, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada

cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de Zener e efeito de avalanche).

3. MATERIAIS E MÉTODOS3.1 MATERIAIS

1 transformador abaixador de tensão (127/16 Vrms)

1 retificador AC/DC tipo ponte (RS 207)

1 capacitor 220 μF

Multímetro

Osciloscópio

Estabilizador com diodo Zener (1N5234/BZX79/8.2v)

Filtragem capacitiva com R=2.2kΩ

1 resistência de carga de 3.3kΩ

1 Circuito integrado LM317

1 potenciômetro de 40KΩ

3.2 MÉTODOS

3.2.1 EXPERIMENTO 1O circuito realizado no experimento 1 pode ser dividido em três partes, sendo a

primeira composta por um transformador e um retificador de onda completa tipo

ponte, a segunda parte é o filtro capacitivo e a terceira é o estabilizador de tensão a

diodo Zener.

A primeira parte do circuito é mostrada na figura 4. Utilizou se um

transformador abaixador de tensão abaixando a tensão das tomadas (127 volts)

para baixas tensão de 16 volts. O secundário do transformador foi ligado à ponte

retificadora como mostrado na figura 4.

Figura 4 - Transformador ligado ao circuito retificador de onda completa.

A forma de onda que sai do retificador é como a mostrada na figura abaixo.

Observa se que ao passar pelo retificador de onda completa a frequência dobra em

relação a onda original.

Figura 5 - Onda retificada.

Depois de realizada a etapa acima, ligou-se um filtro capacitivo usando o

capacitor de 220 μF e o resistor de 2.2kΩ. Por fim foi ligado o diodo Zener em série

com um LED vermelho (para teste) e uma carga de R=3.3 kΩ. O circuito inteiro

teórico é mostrado a seguir.

Figura 6 - Fonte DC estabilizada a diodo zener.

O circuito proposto acima foi simulado no programa MULTSIM, verificando de

maneira teórica as formas de onda e valores de tensão nos componentes do circuito.

A forma de onda representada nas figuras abaixo é na saída do secundário do

transformador. Observa-se que esta forma de onda apresenta características

semelhantes com a da rede elétrica de 127 V, por exemplo: forma de onda senoidal

e a frequência, tendo como diferença entre as duas somente a amplitude, e

consequentemente, valores de tensão e corrente, isso se deve ao papel

desempenhado pelo transformador, que tem por objetivo aumentar ou reduzir a

tensão de saída do secundário do transformador em relação à entrada do primário

deste.

Figura 7 - Forma de onda da tensão de saída do secundário do transformador no osciloscópio.

Já a figura a seguir representa o comportamento do circuito retificador com

transformador de derivação central e com filtro capacitivo, que tem por objetivo

tornar a tensão mais linear, transformando a tensão observada na figura anterior, em

uma tensão continua, isso se dá da seguinte forma: no semiciclo positivo o diodo D1

conduz, pois está polarizado diretamente, já no semiciclo negativo o diodo D2

conduz, assim a tensão na saída do retificador apresenta somente uma polaridade,

por sua vez o capacitor carrega enquanto a tensão na saída do retificador aumenta e

descarrega quando esta diminui, tornando a tensão mais linear.

Figura 8 – Forma de onda da tensão na saída do retificador no osciloscópio.

E por último a figura a seguir representa tensão estabilizada em cima da carga

de 3.3KΩ, devido ao Zener. É importante notar que a tensão em cima da carga é a

tensão do diodo Zener, que é de 8.2V, somada a tensão do LED, que é de 1.8V,

resultando em 10.1V aproximadamente. Outra observação importante é que a

tensão na carga independe da tensão da saída do retificador. Isso se deve as

características deste diodo, observando-se assim o comportamento de um regulador

de tensão.

Figura 9 - Forma de onda da tensão da carga no osciloscópio.

Através dos valores obtidos pelo osciloscópio e pelo MULTISIM, verifica-se a

coesão entre a prática e a teoria, pois os valores encontrados foram próximos.

Observa-se também o comportamento do diodo Zener, que funciona como um

regulador de tensão.

3.2.2 EXPERIMENTO 2A primeira e a segunda etapa dessa prática foram idênticas às da anterior e,

portanto, serão omitidas aqui. Na etapa final é ligado o LM317 que foi usado pare

obter tensão variável através de um potenciômetro.

O circuito com o LM317 como fonte de tensão variável é mostrado na figura a

seguir:

Figura 10 - Fonte de tensão ajustável com LM317

Após realizar as simulações no MULTISIM, utilizando um transformador

-16V/+16V de saída conectado a uma rede elétrica de 127V de tensão eficaz,

energizou-se o circuito abaixo, que por sua vez foi montado em um protoboard.

Figura 11 - Circuito retificador com filtro capacitivo com estabilizador zener mais carga.

Então, com auxílio da ponteira conectada ao canal 1 do osciloscópio e em

paralelo com a saída do secundário do transformador, medindo-se assim, a forma de

onda e os valores de tensão nessa parte do circuito. Depois a ponteira é colocada

em paralelo com a saída do retificador, e o osciloscópio fornece a forma de onda e

os valores de tensão. E por ultimo liga-se a ponteira em paralelo com R1, e foram

obtidos os dados desejados.

A forma de onda da tensão obtida em cima da carga, no experimento 1 foi a

mostrada na figura a seguir:

Figura 12 - Forma de onda da tensão em cima da carga no osciloscópio.

Para o LM317 montou-se o circuito na protoboard como na figura a seguir:

Figura 13 - Fonte de tensão ajustável com LM317.

A forma de onda da tensão obtida na carga com o LM317 está ilustrada figura

abaixo:

Figura 14 - Forma de onda da tensão ajustável do LM 317 no osciloscópio.

Através dos resultados obtidos pelo osciloscópio e pelo MULTISIM verifica-se a

coesão entre a prática e a teoria, pois os valores encontrados foram próximos.

Observa-se também o comportamento do diodo Zener, que funciona como um

regulador de tensão. E verifica-se a importância do dimensionamento de Rs para o

funcionamento do circuito.

4. CÁLCULOSPara o projeto da fonte de tensão estabilizada a diodo zener foram utilizados os

seguintes cálculos:

RZmín = (VCC - VZ) / (IZmáx + IRML)

RZmáx = (VCC - VZ) / (IZmín + IRML)

RZmín <RZ (adotado) <Rzmáx

Onde:

Vz : tensão no Zener (parâmetro do

diodo, vem do fabricante)

Vcc : tensão média na carga (valor

da fonte de tensão)

Rs : resistor limitador de corrente

Rl : carga

Irml : corrente na carga

IZmim : corrente Mínima de Zener

(valor obtido pelo datasheet)

IZmax : corrente Máxima de Zener

(valor obtido pelo datasheet).

5. RESULTADOS

Tabela1 – Valores obtidos no experimento 1

Valores

obtidos pelo

osciloscópio

[V]

Valores

obtidos pelo

MULTISIM

[V]

Erro [%]

Tensão eficaz no secundário do

transformador

16,00 15,88 0,76

Tensão eficaz na saída do

retificador

21,00 20,30 3,45

Tensão eficaz na carga 10,02 10.01 0,99

Tabela 2 – Resultados obtidos no experimento 2

Valores

obtidos pelo

osciloscópio

[V]

Valores

obtidos pelo

MULTISIM

[V]

Erro [%]

Tensão eficaz no secundário do

transformador

16,00 15,88 0,76

Tensão eficaz na saída do

retificador

21,00 20,30 3,45

Tensão eficaz ajustável 1,1 –

16,2

1,2 - 15,2 8,33 –

6,56

6. CONCLUSÃO

Através do experimento observou-se o comportamento dos componentes de um

circuito retificador com filtro capacitivo e diodo Zener, que tem por objetivo fornecer a

carga uma tensão desejada, de acordo com a tensão do diodo Zener especificada

pelo fabricante. Observou-se também o funcionamento do LM317 como fonte de

tensão regulável. E assim podemos verificar a relação entre o teórico (condições

ideais) e o prático.

Vimos também a importância de dimensionar a resistência Rs irá limitar a

corrente que passa no diodo Zener. Para conduzir é necessário uma corrente

mínima e uma corrente máxima eu restringi, evitando assim que a queime. Ou seja,

há uma faixa de variação de Rs.

Obtemos um erro de 8,33% que foi calculado a partir dos resultados do

experimento (real) e a simulação no MULTISIM (ideal). Fazendo a análise desse

valor concluímos que apesar desse erro ser admissível ele é causado pela

dificuldade que encontramos de limitarmos a operação do potenciômetro dentro da

faixa calculada para os valores máximo e mínimo da resistência (Rs) que é variável.

Após todas essas análises pode-se concluir que a prática foi realizada com

êxito.

7. REFERÊNCIA BIBILIOGRÁFICA

[1] MALVINO, Albert Paul. ELETRÔNICA. 4. Ed. São Paulo: Makron Books, 1995.

[2] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4. Ed.São Paulo: Pearson Makron Books, 2000.

[3] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 8º Edição, Prentice Hall, 2004.

[4] David Comer, Donald Comer, Fundamentos de Projeto de Circuitos Eletrônicos, LTC, 2005.

[5] Jimmie J. Cathey, Dispositivos e Circuitos Eletrônicos, 2ª Ed., Coleção Schaum, Bookman, 2003.