projeto fonte de alimentação - primeira etapa

10
UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO INSTITUTO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS E EXATAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Gabriela Jamel Schäffer Projeto Fonte de Alimentação: Primeira Etapa Uberaba-MG 2015

Upload: daniela-jamel

Post on 14-Sep-2015

20 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

UFTM - Projeto Fonte de Alimentação - Primeira Etapa

TRANSCRIPT

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRINGULO MINEIRO

    INSTITUTO DE CINCIAS TECNOLGICAS E EXATAS

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

    Gabriela Jamel Schffer

    Projeto Fonte de Alimentao:

    Primeira Etapa

    Uberaba-MG

    2015

  • Gabriela Jamel Schffer

    Projeto Fonte de Alimentao:

    Primeira Etapa

    Trabalho apresentado como requisito

    parcial da disciplina de Circuitos Eletrnicos

    departamento de Engenharia Eltrica perten-

    cente ao Instituto de Cincias Exatas e

    Tecnolgicas da Universidade Federal do

    Tringulo Mineiro.

    Prof. Rodrigo Rimoldi

    Uberaba-MG

    2015

  • Sumrio 1 INTRODUAO .....................................................................................................................3

    2 DESENVOLVIMENTO........................................................................................................3

    2.1 Fundamentao Terica.....................................................................................................3

    2,2 Equacionamento Matemtico ...........................................................................................7

    2.3 Grfico de Gantt ................................................................................................................9

    3 CONCLUSO ......................................................................................................................9

    4 REFERNCIAS .................................................................................................................10

  • 1 INTRODUO

    As redes de distribuies de energia eltrica no Brasil, fornecem uma corrente da forma

    alternada senoidal, geralmente com uma frequncia de 60Hz.Porm, possvel perceber que a

    maioria dos equipamentos requerem uma corrente da forma contnua. Para isso, h a

    necessidade de converso de corrente alternada em contnua e a forma de se obter essa

    converso se d atravs de circuitos retificadores sendo estes compostos por diodos

    semicondutores.

    Um circuito retificador um dos principais componentes de uma fonte de alimentao

    que tem a funo de fornecer energia eltrica a um determinado componente, como por exemplo

    um computador. Essa fonte converte a tenso alternada fornecida pela rede para tenses

    contnuas utilizadas por componentes eletrnicos.

    A fonte de alimentao linear tem uma alta eficincia para aplicaes que tenham baixa

    potncia, por essa trabalhar em uma frequncia de 60Hz. Essa constituda por um

    transformador, uma etapa retificadora, filtro capacitivo e reguladores de tenso. Essa fonte

    possui baixa interferncia eletromagntica, a montagem mais simples com componentes

    usuais, porm possui grande dissipao de calor para altas potencias e possuem grande peso.

    Para a fonte poder trabalhar com dispositivos como computadores, esta tem que ser

    uma fonte do tipo chaveada, isto , uma fonte com chaveamento em alta frequncia, recebe uma

    alta frequncia ente 20 a 60Hz de entrada, no precisando necessariamente de capacitores muito

    grandes. Como utilizam um transformador em alta frequncia o tamanho e o peso desta fonte

    reduzido. Esse tipo de fonte usa transistores, portanto a potncia controlada maior. Porm,

    seus componentes no so fceis de encontrar no mercado e sua montagem um pouco mais

    difcil em relao a fonte linear.

    2 DESENVOLVIMENTO

    O projeto desenvolvido de uma fonte de alimentao linear sendo fundamental,

    primeiramente, o conhecimento desta e de seus componentes. Por exemplo, necessrio saber

    primeiramente antes de dimensionar qualquer fonte, o valor de tenso e de corrente que ser

    exigida em sua sada para o dimensionamento tanto do transformador quando do restante do

    circuito.

    2.1 Fundamentao Terica

    Primeiramente, preciso especificar os componentes da fonte com suas devidas

    funes.

    O primeiro componente a ser designado o transformador. Sua escolha, como

    dito anteriormente, atravs da sada de tenso que a carga a ser conectada necessita.

    O transformador tem a funo de baixar a tenso fornecida pela rede de 110V ou

    220V aplicada no enrolamento primrio para uma tenso desejada, isto , a tenso

    especificada por este que se encontra no enrolamento secundrio. Porm, essa tenso

    apenas foi abaixada mas no mudou sua natureza de onda, ou seja, a tenso de sada

    do secundrio do transformador continua sendo de alternada. Isso pode ser

    explicado pelo fato de o transformador, de acordo com os princpios do

    eletromagnetismo, ter um campo magntico varivel, sendo necessrio o uso de

    corrente alternada.

    Para trabalhar com um circuito retificador de onda completa, necessrio o uso

    de um transformador com tomada ou tap central, na maioria das aplicaes,

  • inclusive esta da fonte, o tap central fica sendo o terra enquanto cada brao do

    enrolamento fornece metade da tenso central estando estas defasadas em 180.

    Figura 1-Transformador com tap central

    Aps a designao do transformador, deve-se especificar a parte retificadora do

    circuito. Existem dois tipos de circuitos retificadores: o de meia onda e o de onda

    completa. Neste ltimo os diodos so ligados em ponte, sendo este o tipo usado na

    fonte de alimentao. A ponte de retificao de um circuito composta por quatro

    diodos iguais ligados em ponte como mostra a figura a seguir.

    Figura 2- Ponte Retificadora

    Essa parte da fonte a responsvel por converter a tenso alternada j abaixada

    pelo transformador em tenso em nvel cc. Para um maior entendimento, deve se ter

    uma noo bsica de como funciona os diodos em ponte. A configurao de um

    diodo funciona da seguinte forma. Quando a corrente passa no sentido do diodo, isto

    , no sentido em que a seta indica, ele funciona como um curto circuito e no sentido oposto funciona como um circuito aberto. Sendo assim, na ponte funcionam

    apenas dois diodos de cada semiciclo. O resultado disso, se torna dois ciclos

    positivos, j que eles so de mesmo sinal.

    A equao que descreve o valor mdio sobre a carga em um circuito

    retificador de onda completa expressa por

    =0,637(2) (1)

    Sendo o o valor mdio de tenso aps passar pela ponte, a tenso de pico que sai do secundrio do transformador e a tenso sobre o diodo. A multiplicao de por 2 pode ser explicada pelo fato de em cada semiciclo, a corrente percorrer por apenas dois diodos.

    Aps a retificao da onda, o sinal no sai exatamente como desejado. Portanto,

  • h a necessidade de filtra-lo, isto , como a onda aps a sada da ponte chega de

    forma pulsante necessrio um filtro capacitivo para que esta se torne um pouco

    mais prxima de uma sada cc, estvel. Essa reduo da variao da tenso

    conhecida como tenso de ripple mostrada na figura a seguir

    Figura 3- Filtro Capacitivo

    A tenso de ripple na figura pode ser expressa pelo valor de Vpp.

    Percebe-se que a descarga do capacitor, quanto mais rpida ela for, melhor ser

    o ripple. Quanto mais eficiente for filtro, menor ser a tenso de ondulao (ripple)

    e portanto, maior ser o valor mdio da tenso na sada.

    Para o clculo da tenso de ripple (), convm adotar um valor em torno de 10% da tenso mdia chegada no capacitor, isto , o . Para isso tem-se a equao da tenso de ripple.

    =

    2 (2).

    Sendo o a tenso aps a retificao, f a frequncia, normalmente utilizada em 60Hz, R a resistncia da carga e C o capacitor de filtragem.

    Aps a filtragem da tenso, tem-se a ltima parte do circuito: o regulador de

    tenso. Este regulador tem a funo de fornecer bateria a tenso necessria, isto ,

    mantm a tenso de sada estabilizada mesmo que a tenso de entrada varie, ou no

    seja de mesmo valor. Uma boa forma de colocar um regulador de tenso em uma

    fonte de alimentao na forma de CI, pois assim ocupam menos espao.

    Os reguladores de tenso podem ser os CIs da srie 78XX ou 79XX, sendo estes positivo e negativo, respectivamente. Lembrando que deve-se seguir os datasheets

    de cada um dos CIs, pois os reguladores de tenso apresentam uma tenso mnima e uma tenso mxima de entrada e tambm possuem algumas restries segundo os

    capacitores cermicos a serem utilizados. Para maior entendimento, os reguladores

    de tenso sero ilustrados na figura a seguir.

  • Figura 4- Reguladores de tenso

    No projeto da fonte de alimentao foi estipulado quatro sadas de tenso, cada

    uma dessas reguladas por CIs diferentes. A primeira sada de +15V e regulada pelo CI 7815, a segunda sada de +5V e foi utilizado o CI 7805. J para as sadas

    negativas estipulou-se as sadas de -15V e -5V com os CIs de 7915 e 7905, respectivamente.

    Uma fonte de alimentao para bom funcionamento precisa dos componentes

    citados acima, porm para uma maior segurana deve-se colocar um fusvel antes

    do primrio do transformador, com sua corrente calculada segunda sua potncia e

    tenso fornecida pela rede. A adio de leds no circuito da fonte no necessrio

    para seu funcionamento, mas uma boa forma de visualizar de o circuito est

    funcionando.

    2.2 Equacionamento Matemtico

    Aps a breve abordagem tcnica de cada componente e suas devidas

    especificaes, nessa seo ser descrito um breve memorial de clculo do

    circuito da fonte de alimentao mostrado a seguir

    Figura 5 Esquema eltrico da fonte de alimentao

    Nesse esquema eltrico, j foi posicionado cada componente com seu

    devido valor. Sendo estes mostrados a seguir.

    Primeiramente, para o clculo do transformador, foi observado os

  • reguladores de tenses. O regulador 7815, que regula a tenso para 15V, segundo

    o seu datasheet [1], possu uma tenso mnima de entrada de 17,5V e uma

    mxima de 30V. Ou seja, calculando-se a tenso aps passar pelo retificador, esta

    tem que estar compreendia entre 17,5 e 30V. Sendo assim, foi usado um

    transformador com derivao central de 1,5A de 24VRms. A corrente do

    transformador escolhida foi para dar uma folga, caso a carga ligada puxe um valor um pouco acima de 1A.

    O diodo escolhido foi o da srie 1N54XX com suas especificaes de

    uma corrente mxima que ele suporta de 3, com uma tenso de ruptura acima

    de 50V e um de 1,2V , segundo seu datasheet [3]. Esse diodo foi escolhido segundo sua corrente mxima de acordo com o transformador e sua tenso de

    ruptura mxima de acordo com a mxima tenso de pico do circuito.

    A tenso ao sair do transformador com 24VRms que igual a 33,94V

    tenso de pico ao passar pela ponte com =33,94V e um =1,2V tem-se um segundo a equao (1) de 20,091V. Como foi dito anteriormente a tenso de ripple no deve ultrapassar 10% desse valor. Para esse projeto estipulou-se uma

    tenso de ripple em torno de 5% de . Portanto = 1,005V . Esse valor pequeno e est dentro do esperado. Com a tenso de ripple , determinou-se o

    valor de tenso mnima e o valor de tenso mxima, apenas subtraindo e

    somando o valor de na tenso mdia. Esses valores continuam na faixa estipulada pelo regulador de tenso.

    Aps calculado o , pode-se calcular o valor do primeiro capacitor eletroltico a partir da equao (2), sendo a frequncia de 60Hz e uma resistncia

    estimada de 100. Sendo este valor de resistncia adotado, um bom valor para melhora do ripple.

    Portanto, o capacitor eletroltico teve um valor de 1,666mF. J que este

    valor calculado no um valor comercialmente encontrado, substituiu-se por o

    capacitor cujo valor seja mais prximo do encontrado. Portanto, um valor de

    2,2mF. Aps esta substituio, verificou-se o valor de ripple novamente.

    Encontrou-se um valor de aproximadamente 0,7V. Est dentro do esperado.

    Quanto aos capacitores cermicos, deve-se adotar entre um valor de

    100mF at um valor de 470mF. Como o datasheet [1] e [2] sugere um capacitor

    de entrada com o valor de 330mF e um capacitor de sada de 100mF, estes foram

    utilizados no projeto para todos os capacitores de entrada e sada,

    respectivamente.

    Como foi usado um capacitor eletroltico grande na entrada, os

    capacitores eletrolticos na sada foram estipulados um valor pequeno, apenas

    por garantia. Isto , um capacitor de 10F.

    No h a necessidade de capacitores de entrada para o regulador de

    tenso 7805, j que j foi corrigida a tenso de ripple antes do regulador de

    tenso 7815.

    Percebe-se que foi dispostos leds nas sadas para mostrar o

    funcionamento do circuito. O led utilizado nas quatro situaes foi o Led

    S150BRC-P2 [4]com corrente de uso de 20mA e tenso de 3,4V. Com isso pode-

    se calcular a resistncia em srie de cada led, sendo a parte negativa do circuito

    correspondente a parte positiva, isto , os mesmos clculos feitos para a parte

    positiva do projeto s igualmente dispostos na parte negativa, apenas alterando

    a polaridade dos capacitores e dos leds na parte negativa.

    A resistncia calculada para a sada de 15V foi de 580, porm este no

  • um valor comercial ento substitui-se por uma resistncia de 560 , e verificou-se que a corrente ainda est dentro dos limites de utilizao do led

    ( =30mA). Para maor proteo do circuito foi colocado dois fusveis com uma chave

    seletora antes do transformador, segundo os clculos devido a potncia do

    transformador considerando uma eficincia de 0,8 os fusveis a ser colocados

    sero de : para a chave seletora ligada em 110V fusvel de 0,5 A e para a chave

    seletora ligada em 220V fusvel de 0,2 A. Caso queira colocar apenas um fusvel ,

    deve-se utilizar o pior caso que seria com a chave seletora ligado no 220V.

    2.3 Grfico de Gantt

    Uma boa forma de ilustrar um cronograma e as etapas de um projeto atravs

    do grfico de Gantt. Essa representao grfica auxilia o projetista a seguir um

    planejamento, ou seja, uma previso do seu projeto, junto com os custos dos

    componentes e ainda o acompanhamento da concluso de cada etapa.

    A seguir, ser ilustrado a tabela do cronograma junto ao grfico de Gantt do

    projeto da fonte de alimentao que est em andamento.

    A figura da tabela e o grfico mostrado a seguir foram feitos no programa

    Excel.

    Figura 6- Tabela do cronograma

    Figura 7- Grfico de Gantt

    3 CONCLUSO

    Desta forma, pode-se apresentar o memorial de clculos do projeto da fonte de

    alimentao, tendo em vista algumas consideraes, o projeto est dentro do esperado.

  • 4 REFERNCIAS

    [1] Fairchild. Ano 2006.LM78XX. Terminal 1 Positive Voltage Regulator.

    [2] Fairchild. Ano 2006.LM79XX. Terminal 1 Negative Voltage Regulator.

    [3] Fairchild.DO-201AD. 1N5400-1N5408. 3A Operetion.

    [4]Luckylight.S150BRC-P2. Pink Led.