fonte de tensÃo dc

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

FONTE DE TENSÃO DC

DIORGE DE SOUZA LIMA - 10134000618

SAMARA PEREIRA DA SILVA – 10134002318

VANESSA MENEZES RAMOS – 10134000318

TUCURUÍ – PARÁ

20121

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

FONTE DE TENSÃO DC

TUCURUÍ – PARÁ

20122

Relatório apresentado ao professor

Ewerton Granhen como requisito de

avaliação da disciplina de Laboratório

de Eletrônica Analógica I.

RESUMO

Este relatório contemplará uma experiência realizada em laboratório, na qual depois de

realizado cálculos para a determinação do valor da resistência R, montou uma fonte de tensão

em corrente continua para contemplar assuntos envolvendo transformadores, pontes

retificadoras e diodo zener além de elementos já conhecidos como resistências e capacitores.

3

LISTA DE FIGURA

Figura 1: Diagrama de blocos - Fonte de Alimentação.............................................................7

Figura 2: Simbologia do transformador e curva característica...................................................7

Figura 3: Capacitor presente no circuito e saída filtrada............................................................8

Figura 4: Simbologia do capacitor e gráfico da retificação........................................................8

Figura 5: Circuito a ser montado..............................................................................................13

Figura 6: Tensão de ondulação na carga...................................................................................14

Figura 7: Tensão de oscilação no capacitor..............................................................................14

Figura 8: Circuito montado em software para simulação.........................................................15

Figura 9: Tensões assinadas no circuito simulado....................................................................15

Figura 10: Correntes assinadas no circuito simulado...............................................................16

Figura 11: Potências assinaladas no circuito montado.............................................................17

4

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 06

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 07

EXPERIÊNCIA 1: FONTE DE TENSÃO DC 10

MATERIAIS 10

MÉTODOS 10

RESULTADO E DISCUSSÕES 13

CONCLUSÃO 18

BIBLIOGRAFIA 19

5

INTRODUÇÃO

As fontes de alimentação constituem uma das etapas básicas dos equipamentos

elétricos e/ou eletrônicos. A função dessa etapa inicial é interligar a tensão elétrica fornecida

pela rede domiciliar/industrial com as tensões adequadas às demais etapas do equipamento.

No caso de fonte de tensão em corrente continua uma das etapas primordiais é a retificação

da corrente alternada fornecida pela rede.

A experiência que será exposta aqui se trata exatamente do assunto fonte de

alimentação na qual se utilizou de um transformador rebaixado 110v/9v e outros componentes

para retificar esta tensão AC fornecida pelo mesmo, entretanto antes de mostrar os resultados

obtidos iremos primeiramente fazer uma fundamentação teórica e em seguida expor os

materiais e métodos utilizados durante a experiência.

.

6

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Uma fonte básica simples (ou linear, como dizem os mais teóricos) é, via de regra,

constituída por 4 blocos, conforme Figura 1, cada um com sua finalidade específica.

Bloco 1 - Transformador : Altera os parâmetros 'tensão e corrente' de entrada AC para

outro(s) valor(es) de 'tensão e corrente' de saída AC. Um dado valor de tensão de saída AC

podem ser maior, igual ou menor que a tensão de entrada AC.

Bloco 2 - Retificação: Retifica os pulsos de saída do transformador, produzindo uma nova

saída polarizada, pulsante, CC.

Bloco 3 - Filtragem: Filtra a tensão pulsante de saída do bloco retificador eliminando boa

parte de sua pulsação.

Bloco 4 - Regulagem: Regula eletronicamente a saída do bloco de filtragem de modo a se

obter uma tensão contínua e constante. Esse bloco pode incluir uma proteção contra

diversos 'aborrecimentos, como veremos ao final.

Transformador abaixador de tensão

A Figura 2 mostra a simbologia, a curva característica e os parâmetros envolvidos

num transformador abaixador de tensão.

7

Figura 1: Diagrama de blocos - Fonte de Alimentação.

Figura 2: Simbologia do transformador e curva característica.

Uma ponte retificadora consta de 4 diodos retificadores reunidos num só invólucro,

com 2 terminais marcados "~" para a entrada AC e 2 terminais marcados com "+" e "-" para a

saída polarizada CC. A ponte retifica os dois semiciclos da tensão alternada, por isso o nome

'retificação em onda-completa'. Da tensão de entrada na ponte, perde-se 1,4 V, porque cada

diodo determina uma queda de potencial elétrico de 0,7 V (típica da junção PN de silício); e

há sempre 2 diodos em condução em cada semiciclo.

Como os diodos devem suportar os picos de tensão, a ponte deve suportar, pelo

menos, três vezes a tensão RMS da saída do transformador.

Efeito da filtragem

Filtragem na verdade é um jargão eletrônico para a ação de um componente cuja

finalidade é 'acumular cargas elétricas', fornecendo-as quando necessário. Quem age aqui

como reservatório de cargas é um capacitor de grande capacitância, notadamente o capacitor

eletrolítico. A Figura 3 mostra o capacitor inserido no circuito.

A ação do capacitor de filtragem é suavizar os 'solavancos' dos semiciclos provenientes da

retificação, convertendo-os em um fornecimento 'mais contínuo' de cargas elétricas. A

Figura 4 destaca a tensão 'não filtrada' , em linha pontilhada, e a CC suavizada, destacada na

figura em linha sólida.

8

Figura 3: Capacitor presente no circuito e saída filtrada.

Figura 4: Simbologia do capacitor e gráfico da retificação.

Diodo Zener

Diodo Zener é um tipo de diodo projetado para trabalhar na região de avalanche, ou

seja na região de ruptura de tensão reversa da junção PN. O diodo Zener pode funcionar

polarizado diretamente ou indiretamente. Um diodo comum polarizado inversamente

praticamente não conduz.

Existe uma pequena corrente inversa, chamada de saturação e devida unicamente à

geração de pares de elétron-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No

diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença entre os dois tipos de diodo é que, no diodo

convencional, ao se atingir uma determinada tensão inversa, cujo valor depende do diodo, este

aumenta bruscamente a condução (avalanche) e a corrente elevada acaba por destruir o diodo,

não sendo possível inverter o processo.

Por outro lado, no diodo Zener, ao se atingir uma tensão reversa denominada tensão

Zener, o diodo aumenta a condução sem se destruir e mantém constante a tensão entre seus

terminais. Existem várias tensões de Zener (uma para cada diodo) como, por exemplo, 5,1 V e

6,3 V.

Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de diodo. O

valor indicado é o da potência. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mW, 1 W além de

outros valores. O valor da corrente máxima admissível depende desta potência e da tensão de

Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência

em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.

Cálculos

Para calcular o resistor R da fonte de tensão DC, utilizam-se as seguintes equações.

V Cmim=V S−2V D−V r

Equação 1

ILmáx=V ZRL Equação 2

R=V Cmim−V ZIZmin+ ILmáx Equação 3

9

Para verificar a máxima potência dissipada em R, usa-se a

PR=R( IZmim+ I Lmáx )2

Equação 4

Para calcular a tensão de ondulação para o resistor escolhido sabendo-se que a frequência da rede é de 60Hz.

V Cp=V S−2V D

Equação 5

V r=V Cp−V Z

2 fCR Equação 6

EXPERIÊNCIA 1: FONTE DE TENSÃO DC

MATERIAIS

01 Capacitor de 470 μF

01 Diodo Zener

01 Osciloscópio

01 Protoboard

01 Ponte Retificadora

03 Resistência de 1KΩ

METODOLOGIA

Para realizar-se essa experiência procedeu-se da seguinte maneira: observou-se que

para a montagem do circuito se necessitava calcular o valor do resistor R, na Figura 5. Para

isso se utilizou da Equação 1 e

Equação 2 para calcular primeiramente V Cmim e

ILmáx , respectivamente, necessários para obter o valor de R através da

10

Equação 3 . Assim, mediu-se o valor de V S que

corresponde ao valor de 10 ,28V e calculou-se o V Cmimconsiderando V D=0,7V e V r=1V ,

conforme sugestão do roteiro, utilizando-se da Equação 1.

V Cmim=10 ,28√2−2x 0,7−1=12 ,1381V Equação 7

Observa-se que o valor 10 ,28V correspondente ao V S foi multiplicado por √2devido

o mesmo ser o valor eficaz ou RMS, no entanto nas equações não se utiliza esta forma.

Depois de calculado o valor de V Cmim , calculou-se o valor de ILmáx considerando

V L=5,6V e RL=1KΩ=1000Ω . Foi considerado este valor para RL , porque não havia o valor

de resistência sugerido no roteiro que correspondia a 820Ω .

ILmáx=5,6

1000=5,6 x10−3 A=5,6mA

Equação 8

Por seguinte, temos que os valores calculados de V Cmim=12 ,1381V e ILmáx=5,6mA , o

V Z=5,6V definido pelo tipo de diodo e seguindo a sugestão do roteiro de considerar

2mA≤I Zmin≥5mA, optou-se pelo valor de

5mA . Sendo assim:

R=12,1381−5,6

5 x10−3+5,6 x10−3= 6 ,5381

10 ,6 x103=616 ,8Ω

Equação 9

Feito isso, pode-se verificar a máxima potencia dissipada em R. Utilizou-se, portanto,

Equação 4.

PR=R( IZmim+ I Lmáx )2=616 ,8 (5 x 10−3+5,6 x 10−3 )2

Equação 10

PR=616 ,8 x1 ,124 x10−4=69 ,3mW . Equação 11

11

Para calcular a tensão de ondulação do resistor R sabendo que a frequência de rede é

60Hz e o capacitor é de 1000 μF , utilizou-se da

Equação 6 sendo que primeiramente calculou se a

Equação 5.

V Cp=10 ,28√2−2 x0,7=13 ,1381V Equação 12

V r=13 ,1381−5,6

2 x60 x1000 x10−6 x 616 ,8 Equação 13

V r=7 ,538174 ,016 Equação 14

V r=0 ,1018V Equação 15

Depois de realizados essa etapa de cálculos, partiu-se para a separação dos

componentes necessários para a montagem do circuito, porém percebeu-se que não haveria a

resistência R no valor calculado. Para resolver esta situação fez-se uma associação paralelo de

duas resistências de 1KΩ=1000Ωpara obtermos um valor aproximado de 500Ω .

Como se utilizou uma resistência R diferente da já calculada, realizou novos cálculos

para saber teoricamente como o circuito irá se comportar. Assim, novamente calculou-se a

potência dissipada e a tensão de ondulação para o novo resistor R. Lembrando que para

calcular a potência dissipada necessita-se, além do valor de R, o valor de IZmime ILmáx os quais

não serão mudados devido ao novo valor de resistência. Portanto,

PR=56 ,18 x10−3W Equação 17

Para o novo calculo de da tensão de ondulação somente irá mudar o valor da

resistência no calculo:

12

Equação 16

DCp VVVS

2

PR=500(5 x10−3+5,6 x10−3 )2

V r=13 ,1381−5,6

2 x60 x1000 x10−6 x500 Equação 18

V r=0. 125635V Equação 19

Após os novos cálculos e separados os componentes, realizou-se a medição dos

valores dos mesmos. O capacitor não pôde ser medido devido à escala do multímetro não

permitir tal medição. Quanto as resistência, os valores foram RL=986Ω eR=986 // 983 . Na

pratica, o valor medido para o paralelo das resistências foi 492Ω .

Assim, pôde-se montar o circuito conforme o esquema da Figura 5.

Depois de montado o circuito, partiu-se para a etapa das medições para a confirmação

dos resultados calculados e novos valores.

Para medir a tensão de ondulação na carga e no capacitor necessitou-se do auxilio do

osciloscópio, o qual foi conectado primeiramente entre o capacitor e a resistência R e se

verificou o valor correspondente à tensão neste ponto. A segunda medição foi para a detecção

do valor de tensão na carga.

Realizada esta etapa com o osciloscópio, utilizou-se do multímetro na função

voltímetro para realizar a medição da tensão na carga. Em seguida, utilizou a função

amperímetro para realizar a medição da corrente na carga e do diodo zener.

Obtida essas medições, substituiu-se a resistência RLda carga por outra resistência de

valor 330Ωqual a influencia de tal mudança. Realizou-se novamente a medição na tensão na

carga.

RESULTADO E DISCUSSÕES

13

Figura 5: Circuito a ser montado.

A partir dos cálculos e

medições realizadas chegou-

se a resultados os quais serão

discutidos a seguir.

Primeiramente,

com relação aos dois valores

medidos com auxilio do

osciloscópio pôde-se verificar

que para V r se obteve 2 ,64mV pico a pico, conforme Figura 6.

Para a tensão de oscilação no capacitor foi obtido à curva mostrada na Figura 7 cujo

valor de tensão pico a pico é 84 ,8mV.

14

Figura 6: Tensão de ondulação na carga.

Os valores de correntes DC para a carga e no diodo zener são de 5 ,68mA e 8,3mA ,

respectivamente.

A tensão em corrente continua medida na carga com o voltímetro corresponde a

exatamente 5,6V que era o valor esperado, no entanto para comprovar que o valor da

resistência da carga influencia na no valor de tensão, substituímos a resistência da carga RL

que possuía o valor de 492Ω por uma resistência de 323Ω reais cujo valor comercial é

330Ω . Quando efetuado esta substituição, percebeu-se a tensão DC na carga diminuiu para

4 ,39V . Esse é um comportamento esperado já que diminuindo o valor da resistência diminui

também o valor da tensão já que as mesmas são diretamente proporcionais.

Terminada esta etapa de medições, foi realizada uma simulação em software e

comparado os valores.

O software utilizado foi o pacote PSpace da Família ORCAD o qual permite a

simulação de circuito fornecendo os valores de tensão, corrente e potência que serão usados

para fazer uma comparação entre os valores obtidos teoricamente através dos cálculos e

também os medidos na pratica.

Sendo assim, para torna o resultado simulado mais realista utilizou-se os valores reais

dos componentes, ou seja, os medidos com auxilio do multímetro e não o seu valor comercial.

O circuito montado no software corresponde somente à parte já retificada. Para isso,

ao invés de haver o transformador com a ponte retificado, foi colocado somente uma fonte

com o valor exato de V S medido que corresponde ao valor de 10 ,28V

.

Em paralelo com a fonte foi colocado o capacitor de 470 μF e por diante as

resistências R=492Ω e RL=986Ω e o diodo zener 1N4743, conforme Figura 8.

15

Figura 7: Tensão de oscilação no capacitor.

Figura 8: Circuito montado em software para simulação.

Quando realizado a simulação obteve-se para a tensão medida na carga o valor de

5 ,525V enquanto o medido na pratica pelo voltímetro foi de

5,6Vo que corresponde ao erro

de

1,339%. A simulação mostrando os pontes de tensões pode ser visualizado na Figura 9.

Realizou-se também uma simulação para obter as correntes ILmáx

e IZmin

. Os valores

encontrados para ILmáx

foi 5,603mA e para IZmin

foi 4,062mA. O que corresponde com os

16

Figura 9: Tensões assinadas no circuito simulado.

valores calculados já que nos utilizando os dados numéricos teóricos obteve-se ILmáx=5,6mA

e para IZmin

foi considerado 5mA , porém poderia ser qualquer valor entre a faixa de 2mA a 5mA ,

ou seja, 2mA≤I Zmin≥5mA.

Sendo assim, para as correntes os valores simulados são exatamente semelhantes aos

calculados. As correntes ILmáx

e IZmin

e as demais correntes dos circuitos podem ser

visualizadas na Figura 10.

Em seguida, realizou-se a simulação para obter a máxima potencia dissipada pelo

resistor R. O valor encontrado foi 45,96mW enquanto o valor calculado foi de 56,18mW o

17

Figura 10: Correntes assinadas no circuito simulado.

que corresponde a um erro de 18,19%, porém para calcular esse valor da potencia considerou-

se

IZmin=5mA. Se considerarmos o valor de

IZmin=4mA, teremos segundo a

Equação 4.

PR=R( IZmim+ I Lmáx )2=492(4 x 10−3+5,6 x 10−3 )2

Equação 20

PR=492 x (9,6 x10−3 )2=45 ,34mW . Equação 21

Para este novo valor o erro é de somente 1,349% . As demais potencias do circuito podem ser visualizadas na Figura 11.

18

Figura

11: Potências assinaladas no circuito montado.

CONCLUSÃO

Ao fim da experiência realizada, concluiu-se que se obtiveram bons resultados devido

aos valores semelhantes obtidos através de cálculos teóricos, simulações e medições. Além do

que a experiência foi importante para o conhecimento pratico de construção de uma fonte de

tensão, operação e funcionamento de componente como o diodo zener e a ponte retificadora.

Por se tratar de uma fonte de baixa complexibilidade, podem-se observar claramente

as etapas que constituem uma fonte de tensão em corrente continua, como: a do

transformador, da retificação e da filtragem. Porem, neste circuito não houve a regulagem

nem mesmo através de transistores.

19

REFERÊNCIAS

DUARTE, Gustavo; LIMA, Leandro. Fonte linear e estabilizada. Disponível em:

<http://pt.scribd.com/doc/49125571/Relatorio-Fonte-de-Alimentacao-do-Tipo-Linear>

Acesso em 06 out 2012.

SEDRA, Adel S. & SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4.ed. Sao Paulo: Pearson Markron

Books, 2000.

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