Fonte de alimentação linear de 5V com transformador, circuito retificador

com filtro capacitivo e CI estabilizador.

UNIVERSIDADE Anhanguera-Uniderp Disc. Eletrônica Geral I Profª M. Sc Daniela Luiza Catelan Carneiro EE - Turma N501

2

Acadêmicos: Johnny M. Marques R.A. 122928

Campo Grande, 12 de Junho de 2010

UNIVERSIDADE Anhanguera-Uniderp Disc. Eletrônica Geral I Profª M. Sc Daniela Luiza Catelan Carneiro EE - Turma N501

3

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................4 LISTA DE TABELAS .....................................................................................................5 RESUMO .........................................................................................................................6 INTRODUÇÃO ...............................................................................................................7 OBJETIVO ......................................................................................................................8 METODOLOGIA ............................................................................................................9 MONTAGEM .................................................................................................................12 RESULTADOS...............................................................................................................16 LISTA DE COMPONENTES ........................................................................................20 CONCLUSÃO ................................................................................................................21 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................22 ANEXOS ........................................................................................................................23

4

LISTA DE FIGURAS

Diagrama de blocos – Fonte de alimentação (Fig.01) ....................................................05 Simbologia de um Transformador abaixador de tensão (Fig.02) ...................................09 Retificador de meia-onda e retificador de onda-completa (Fig.03) ................................10 Filtro Capacitivo (Fig.04) ...............................................................................................10 Filtragem Capacitiva (Fig.05) ........................................................................................11 Tensão de Saída Regulada (Fig.06).................................................................................11 Fonte Retificadora montada em Circuito Impresso(Fig. 07)...........................................12 Transformador 127/12V(Fig. 08)....................................................................................12 Caixa Metálica Utilizada para a montagem da Fonte(Fig. 09)........................................13 Vista Superior da Fonte Aberta (Fig. 10)....................................................................... 13 Vista Superior da Fonte Aberta(Fig. 11)....................................................................... .14 Vista Frontal da Fonte Montada(Fig. 12)........................................................................14 Vista Frontal/Lateral da Fonte Montada(Fig. 13)............................................................14 Vista Traseira da Fonte montada(Fig. 14) ......................................................................15 Vista da lateral esquerda da fonte Montada(Fig. 15) ......................................................15 Circuito de Fonte Retificadora(Fig. 16) .........................................................................16 Senóide D1/D2(Fig. 17) .................................................................................................16 Senóide C1/C2(Fig. 18)...................................................................................................17 Senóide da Saída de Tensão Poistiva(Fig. 19)...............................................................17 Senóide C3/C4(Fig. 20) ..................................................................................................18 Senóide da Saída de Tensão Negativa (Fig. 21) .............................................................18 Senóide Fase/Fase (Fig. 22) ............................................................................................19

5

LISTA DE TABELAS

Lista de componentes (Tab.01) ......................................................................................20 Componentes Adicionais (Tab.02) .................................................................................20

6

RESUMO

A fontes de alimentação constituem uma das etapas básicas dos equipamentos elétricos e/ou eletrônicos. A função dessa etapa inicial é 'casar' a tensão elétrica fornecida pela rede domiciliar/industrial com as tensões adequadas às demais etapas do equipamento. É o caso, por exemplo, de dispormos de uma tensão de 127 VAC ou 220 VAC e necessitarmos de tensões de 5 VCC ou 10 VCC. Uma fonte básica simples (ou linear, como dizem os mais teóricos) é, via de regra, constituída por 4 blocos, cada um com sua finalidade específica. Eis o diagrama de blocos:

Fig. 01

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.

7

INTRODUÇÃO

Desde a sua descoberta pelo filósofo grego Tales de Mileto, no início do século XVII, passando por toda evolução decorrida dos estudos de diversos físicos, nos séculos seguintes, bem como com a instalação da primeira usina hidrelétrica junto às cataratas do rio Niágara em meados do século XIX [1], e culminando com os dias atuais, a eletricidade tem se mostrado um grande avanço no fornecimento de energia para o acionamento dos mais diversos tipos de equipamentos e máquinas.

No decorrer desta história, também a eletrônica se fez presente. Seu surgimento se deu no final do século XIX, a partir de experiências realizadas por Tomas Edison, Heinrich Hertz entre outros. Já a sua evolução apresenta alguns marcos importantes, como o ocorrido em 1907 quando Lee de Forest inventa a Válvula Triodo. A partir daí, os mais diversos tipos de sistemas eletrônicos passam a ser criado, como o rádio, osciloscópio entre outros equipamentos. [2]

Mas foi em 16 de dezembro de 1947 que a eletrônica sofreu sua maior revolução. Foi nessa data que William Bradfor Shockley, John Bardeen e Walter Houser Brattain inventaram o transistor. [3]

A partir deste momento, inúmeros dispositivos passaram a ser inventados e a miniaturização dos equipamentos já existentes tornou‐se possível. Esta é por muitos considerada a maior invenção da história moderna.

Com a evolução da eletrônica, diversos sistemas passaram a ser criados, e juntamente com eles surge a necessidade de condicionar a energia elétrica, de forma a alimentar os sistemas em desenvolvimento. Como uma possível solução para esta necessidade; criaram‐se as primeiras fontes lineares reguladas, que são assim chamadas por possuírem um circuito integrado ou um transistor operando de forma linear em sua saída.

Mais adiante, por volta de 1960, as fontes chaveadas começam a ser desenvolvidas, visando sua aplicação nos programas espaciais. O objetivo de seu desenvolvimento era a substituição das fontes reguladas, do tipo linear, que são pesadas, volumosas e dissipativas, por fontes compactas e de alto rendimento. [4] Hoje em dia, as fontes chaveadas são altamente empregadas como dispositivos de alimentação para as mais diversas aplicações, como conversores de alta potência, No‐Breaks, sistemas embarcados, microcomputadores, carregadores de celular entre outros.

Nesta primeira etapa do projeto a ser desenvolvido na disciplina de eletrônica industrial, será projetada e construída uma fonte de alimentação do tipo linear e regulada. Esta escolha se dá pela facilidade de desenvolvimento que este tipo de fonte possui frente ao projeto de uma fonte chaveada. Soma‐se a isso também o fato de uma fonte chaveada envolver um custo mais elevado de desenvolvimento, por necessitar de um maior numero de dispositivos semicondutores, que necessitariam ser adquiridos pelo executor.

Desta forma, o projeto que se segue trata do estudo e desenvolvimento de uma fonte linear e regulada, operando com saídas simétricas em 5 e 10 Volts (V) e com capacidade de corrente de até 1 Ampères (A) por saída.

Este relatório trará a descrição do circuito e o seu funcionamento, a metodologia de projeto adotada e o projeto de um protótipo de acordo com as especificações já citadas. Por fim será implementado um protótipo com o qual se verificará a coerência da metodologia adotada, além da obtenção de uma validação prática para o estudo realizado, a partir de ensaios e aquisições.

8

OBJETIVO Implementar uma fonte de alimentação linear de 5V com transformador, capacitivo e CI estabilizador LM 7805 ou equivalente. Podendo o projeto ser implementado em protoboard ou circuito impresso.

9

METODOLOGIA

Partindo do diagrama de blocos citado na Fig. 01, observa-se certa simplicidade na elaboração de tal projeto. Na fig. 02 logo abaixo vê-se a simbologia de um Transformador abaixador de tensão, bem como sua curva característica e os parâmetros envolvidos a este tipo de equipamento, conforme descrito acima como referencia ao bloco 01 do diagrama de blocos.

Fig. 02

Parâmetros notáveis do transformador: Up= tensão no primário (entrada) ; Ip= corrente no primário (entrada) ; Np= número de espiras no primário Us= tensão no secundário (saída) ; Is= corrente no secundário (saída) ; Ns= número de espiras no secundário Pp= potência absorvida no primário (entrada) ; Ps= potência entregue pelo secundário (saída) Relações:

Up/Us= Np/Ns; Pp = Ps (caso ideal) ; Up.Ip= Us.Is O bloco 02, refere-se ao efeito da retificação, pois há vários modos de ligarmos diodos retificadores de modo a converter CA para CC. Diferenciando-se retificador de meia-onda e retificador de onda-completa. É bem mais vantajosa a retificação de onda completa, a qual aproveita os dois semi-ciclos da tensão alternada disponível. Para tal retificação temos duas possibilidades: Usar de apenas 2 diodos retificadores, caso em que o secundário do transformador deverá apresentar uma derivação central ('center tap' - CT); Ou usar uma ponte retificadora com 4 diodos, caso o secundário não apresente derivação central.

10

Ambas as opções são mostradas na Fig. 03 logo abaixo.

Fig.03

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 semi-ciclos da tensão alternada (daí 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 semi-ciclo. Tais pontes, facilmente obtidas no comércio eletrônico, são classificadas pela intensidade máxima de corrente e pela máxima tensão inversa que podem suportar. Como os diodos devem suportar os picos de tensão, a ponte deve suportar, pelo menos, três vezes a tensão rms da saída do transformador. No terceiro bloco tem-se a 'Filtragem' ou a ação de filtrar, retirar impurezas ou separar partes distintas que não é o caso, em se tratando de corrente elétrica. Filtragem, aqui, 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. Sua colocação no circuito da fonte é mostrada na fig. 04:

Fig.04

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.

11

O diagrama a seguir destaca a tensão 'não filtrada' (em linha pontilhada) e a CC suavizada (em linha sólida).

Fig.05

Nota-se, que a filtragem aumenta significativamente a tensão média CC, para o valor de pico (1,4 × valor RMS). Em outras palavras, uma saída de 5 VACrms no secundário do transformador, tenha sido retificada por uma ponte, da qual obtivemos 3,6 VCCrms (1,4 volts foram perdidos na retificação). A ação da filtragem eleva essa tensão para seu valor de pico, ou seja, 1,4 x 3,6 VCCrms= 5,04 VCCpico. Como a tensão elétrica nos terminais do capacitor cai um pouco por ocasião das descargas (linha azul cheia, na ilustração acima), a 'filtragem' não é perfeita, resultando assim numa residual ondulação de tensão (tensão de 'ripple'). Para muitos circuitos a ondulação (ripple) de 10% do valor da tensão total é satisfatória, e isso se obtém com determinado valor (C) da capacitância do capacitor eletrolítico. Eis a expressão para esse cálculo:

Capacitância para 10% de ripple = C = 5.Is/Us.f Onde: C é a capacitância do capacitor de filtragem, em farads (F); Is é a intensidade de corrente de saída, em ampéres (A); Us é a tensão de entrada, em volts (V) [este é o valor de pico da tensão não filtrada]; f é a freqüência da tensão AC, em hertz (HZ) [no Brasil, 60 Hz]. Sem dúvida, quanto maior a capacitância do capacitor de filtragem, menor a ondulação da saída CC. Para este último bloco é usual utilizar-se circuitos integrados reguladores que são encontrados no comércio quer com valores fixos de tensões de saída (5, 6, 9, 12, 15VCC, etc.), quer com saída variável. São classificados, além disso, pela intensidade máxima de corrente que podem controlar.

Fig.06

12

MONTAGEM

O projeto, resume-se a um circuito retificador de onda completa, com capacitores de amortecimento e filtro, associado a CI´s reguladores de tensão, acaba se tornando bastante flexível, uma vez que podemos ter várias possibilidades de montagens, bem como já citado na página 9 no item “Metodologia”. Importante:

• O CI 7805 determinará a saída de tensão positiva. • O CI 7905 determinará a saída de tensão negativa. • A medição feita entra as duas saída terá aproximadamente 10V. • A corrente máxima do circuito será determinada pelo transformador utilizado.

Neste caso 500mA.

Abaixo tem-se a figura do circuito já constituído em placa de circuito impresso, bem como a identificação dos componentes, entras e saídas.

Fig.07

Como já citado acima, a corrente máxima da fonte será determinada pela capacidade de corrente do Transformador abaixador escolhido, que como ve-se na imagem abaixo é de 500mA.

Fig.08

13

Tanto a placa de circuito impresso com o circuito da fonte retificador, quanto o transformador abaixador serão simetricamente inserido em caixa metálica apropriada para tal aplicação, como a ilustrada logo abaixo na fig.09.

Fig.09

A seguir tem-se na sequencia de imagens que vai da fig.10 à fig.15 a fonte retificadora ja acoplada em sua caixa metalica definida, restando apenas a devida fixação dos equipamentos.

Fig.10

14

Fig.11

Fig.12

Fig.13

15

Fig.14

Fig.15

16

RESULTADOS

Na fig.16 pode-se observar as tensões de saída para cada pólo, bem como a tensão de saída entre pólos. Abaixo tem-se o circuito da fonte retificadora do qual foram realizados os testes que serão mostrados a seguir.

Fig.16

A fig.17 mostra a senóide da tensão de entrada em D1 e D2.

Fig.17

17

A Fig. 18 é possível se observar a curva de carregamento do Capacitor C1, bem como o nível de tensão por canal(Capacitor).

Fig.18

Na Fig.19 tem-se a medição de saída conforme esperado para o circuito analisado, ou seja aproximadamente +5V.

Fig.19

18

Para o circuito com com tensão de saída com valor negativo, a senóide para D1 e D2 é igual a da Fig.17 acima, ou seja a tensão de entrada é a mesma para os dois circuitos. Já a senóide obtida para C3 e C4 no ciruito em questão não, não é visivel a sinalização do carregamento do capacitor, porém tanto C1 quanto C2 teem o mesmo valor.

Fig.20

A senóide para a carga no circutio com tensão negativa, tambem se coporta conforme esperado, tem-se então na saída deste cicuito aproximadamente -5V, conforme figura abaixo.

Fig.21

19

Na fig.22 a seguir tem-se a sinalização da senóide para as saída de ambos os circuitos, pode-se notar que suas tensões se somam, totalizando aproximadamente +10V.

Fig.22

20

LISTA DE COMPONENTES

Item Descrição do componente eletrônico ou peça

01 Resistor 1K ou 1K2, 1/8 watts 02 Led, 5mm, vermelho com porta-led rosqueado. 04 Diodo retificador, 1N4007 05 Capacitor eletrolítico, 1000uF, 25V, radial 06 Capacitor de cerâmico, 100 nF 07 Capacitor eletrolítico, 100uF, 16V 08 CI regulador, 7805, 1A 09 CI regulador, 7905, 1A

Tab.01

Componentes adionais para a montagem:

13 Caixa para montagem, metálica com tamanho suficiente para caber a placa e o transformador

14 Bornes para fixação na caixa (01 Azul, 01Verde e 01Branco)

16 Chave on-off, a ser fixada na caixa

17 Porta fusível a ser fixado na caixa, com fusível de 500 mA

18 Cabo de força duplo, para montagem (4m)

19 Parafusos e porcas para fixação do transformador e da placa

21 Placa de fenolite face simples, mínimo 10x10 cm

22 250g de percloreto de ferro para corrosão da placa

23 Caneta para circuito impresso

24 Furador manual ou furadeira com bloca fina (máximo 0,8 mm)

25 Bombril (uma caixa) / parafusos

26 Transformador 127 VCA, saídas +12, -12 e terra (center tap), 500mA.

27 ferramentas: ferro de solda, solda, multímetro, furadeira, etc. Tab.02

21

CONCLUSÃO

Ápos realizado o estudo da estrutura proposta para este projeto, algumas caracteristicas de operação puderam ser comprovadas be como algumas situações previamente não previstas foram verifiadas. E de posse desses novos conhecimentos, alguns comentários podem ser tecidos. Verificou-se que a estutura desenvolvida é bastante auspiciosa para a proposta que se fez, tendo em vista sua baixa complexidade de implementação e baixo custo de produção frente aos resultados obtidos. Uma caracteristicas a ser destacada, é em relação aos tempos de condução dos diodos, quando da inserção de capacitores na saída dos retificadores. Percebeu-se por este projeto que estes tempos reduzem, uma vez que que os diodos somente entram em condução quando a tensão de entrada estiver acima da tensão instântanea dos capacitores. Como sugestão, pensando numa futura miniaturização desta fonte, poderia adotar-se um transformador com tenões no secundário, mais alta do que o usado neste projeto, pois tal mudança, possibilitaria a redução dos capacitores de entrada dos reguladores de tensão, sem risco de perda da regulagem, pois assim a ondulação da ten~soa nos capacitores poderia atingir niveis mais altos, e ainda serem toleraveis pelos reguladores de tensão.

22

BIBLIOGRAFIA

• http://www.coinfo.cefetpb.edu.br/professor/ilton/apostilas/discip_yahoo/iltonlb/fonte/index.html

• http://www.dei.uminho.pt/pessoas/lgoncalves/PCI-Page/PCI.html

• http://elektron.no.sapo.pt/circuitos%20impressos1.htm

• http://www.alldatasheet.com/

• http://www.datasheetcatalog.com/

• www.feiradeciencias.com.br_sala15_15_07a

23

ANEXOS

E´parte integrante deste trabalho, os datasheets dos componentes relacionados a construção do projeto proposto, tais como CI’s LM7805, LM7005 e dido 1N4007.