INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS

GERAIS – CAMPUS FORMIGA

Richard Douglas Dantas

Fonte de tensão regulada de 0 a 24 V

Formiga, 2013

Richard Douglas Dantas

Fonte de tensão regulada de 0 a 24 V

Relatório final detalhado com o descritivo

técnico do funcionamento da fonte de

tensão regulada.

Prof. Msc. Gustavo Lobato Campos

Formiga, 2013

3

RESUMO

Este trabalho apresenta o funcionamento de uma fonte de tensão regulada. Os

principais componentes responsáveis por fazer a regulação utilizados são um diodo

Zener 1N4749 (24 V) e um transistor TIP41C. A fonte de tensão é formada por três

blocos: multiplicador de tensão, regulador de tensão e comparador de tensão de

saída. O multiplicador de tensão é composto por mais dois blocos: retificador de onda

completa e filtro capacitivo.

Palavras-chave: fonte de tensão regulada, diodo Zener, retificador de onda completa,

filtro capacitivo, comparador de tensão.

ABSTRACT

This paper presents the operation of a regulated voltage source. The main

components responsible for making the adjustment used are a Zener diode 1N4749

(24 V) and a transistor TIP41C. The voltage source is formed by three blocks: voltage

multiplier, voltage regulator and output voltage comparator. The voltage multiplier is

composed of two blocks: full wave rectifier and filter capacitor.

Keywords: regulated voltage source, Zener diode, full-wave rectifier, filter capacitor,

voltage comparator.

5

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 6

2. DESENVOLVIMENTO ..................................................................................................... 7

2.1.Multiplicador de tensão ............................................................................................. 7

2.2.Regulador de tensão ................................................................................................. 8

2.3.O CI comparador ....................................................................................................... 8

3. MEMORIAL DE CÁLCULO ........................................................................................... 11

4. METODOLOGIA ............................................................................................................. 13

5. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 17

1. INTRODUÇÃO

Uma fonte de tensão regulada é um circuito eletrônico capaz de transformar

uma tensão de entrada alternada em uma tensão de saída contínua. Os principais

blocos que compõem uma fonte são: retificador, filtro capacitivo e regulador de tensão.

O retificador pode ser de três tipos: retificador de meia onda, retificador de onda

completa center-tap e regulador de onda completa em ponte. À frente será discutido

detalhadamente como funciona a retificação deste projeto, pois não foram usadas

nenhum dos três tipos mais comuns de retificação citados acima.

O filtro capacitivo é um bloco formado apenas por um capacitor, responsável

por filtrar o sinal e aproximá-lo o máximo possível de um sinal contínuo. O mesmo

será discutido com detalhes, pois neste projeto a filtragem foi feita de modo diferente.

Tanto o retificador quando o filtro foram inseridos em um único bloco, denominado

multiplicador de tensão.

O multiplicador de tensão, além de fornecer uma tensão com o dobro, triplo etc.

do valor de pico da tensão de entrada, fornece um sinal retificado e filtrado.

Por último, o bloco regulador de tensão pode ser feito utilizando um diodo Zener

ou um CI regulador de tensão. Os circuitos integrados são mais vantajosos que o

diodo Zener, pois estes primeiros são ótimos para trabalhar com circuitos de potência

maior e suportam até 1 A. Já o diodo Zener trabalha apenas com circuitos de baixa

potência, mas conseguem estabilizar a tensão para uma pequena variação de

corrente. Caso a corrente varie muito, o diodo Zener não estabiliza a tensão e esta

vem a aumentar, o que não é bom. Para efeito de comparação, foi utilizado o diodo

Zener neste projeto.

7

2. DESENVOLVIMENTO

2.1. Multiplicador de tensão

Os circuitos multiplicadores de tensão são usados para manter a tensão de pico

no transformador relativamente pequena, multiplicando a tensão de pico de saída

retificada.

O dobrador de onda completa é composto por dois diodos e dois capacitores

eletrolíticos, conforme Figura 1. Em um multiplicador, a tensão de saída já é retificada

e filtrada.

Figura 1 - Dobrador de onda completa

Durante o semiciclo positivo da tensão no secundário do transformador, o diodo

𝐷1 conduz e carrega o capacitor 𝐶1 com a tensão de pico 𝑉𝑚 e o diodo 𝐷2 permanece

em corte. Durante o semiciclo negativo da tensão no secundário do transformador, o

diodo 𝐷1 deixa de conduzir e o diodo 𝐷2 passa a conduzir, carregando o capacitor 𝐶2

com a tensão de pico 𝑉𝑚.

É recomendado não utilizar valores de capacitância muito pequenos. Como a

tensão de ripple é inversamente proporcional ao valor da capacitância, usar

capacitores com valores reduzidos de capacitância faz com que a filtragem não seja

boa.

𝑉𝑅 =𝐼

𝑓𝐶

2.2. Regulador de tensão

Os circuitos reguladores de tensão são responsáveis por eliminar a tensão de

ripple deixada pela filtragem. Tal medida é necessária, pois há dispositivos eletrônicos

que não suportam variações de ripple e portanto este último precisa ser eliminado. Os

circuitos reguladores de tensão podem ser construídos utilizando transistores e

circuitos integrados específicos.

Um regulador de tensão em série consiste basicamente de um no regulador

Zener, acrescido de um seguidor de emissor (amplificador coletor comum). A Figura

2 ilustra o circuito regulador de tensão em série.

Figura 2 - Circuito regulador de tensão em série

As vantagens em utilizar um regulador de tensão em série são tais que o diodo

Zener utilizado pode ser de menor potência e o valor de impedância de saída é baixo.

2.3. O CI comparador

O LM3914 é um circuito integrado capaz de comparar níveis de tensão

analógica e proporcionar uma visualização de um gráfico de barras linear contendo

dez LED’s.

A comparação é feita por amplificadores operações e divisores de tensão

contendo dez resistores. A Figura 3 ilustra o funcionamento interno do LM3914.

9

Figura 3 - Funcionamento interno do CI LM3914

A medida que a tensão de comparação aumenta, o comparador muda para um

outro LED, mantendo o anterior aceso. No caso de redução da tensão, os LED’s

posteriores vão se apagando decrescentemente.

11

3. MEMORIAL DE CÁLCULO

Quando a alimentação é ligada pela primeira vez, há uma corrente de surto no

capacitor. Se o valor do capacitor for menor que 1000 𝜇F, a corrente de surto

geralmente é muito rápida para danificar os diodos. Por esse motivo, o valor de

capacitância escolhido foi de 1000 𝜇F.

Durante o período de testes de bancada, foi possível medir a corrente após o

capacitor. A corrente fornecida à carga corresponde a 𝐼 = 27,6 mA. Como a frequência

da rede de alimentação é de 60 Hz e a capacitância de cada capacitor do multiplicador

de tensão é de 1000 𝜇F, é possível determinar a tensão de ripple na filtragem.

𝑉𝑅 =27,6. 10−3

60.1000. 10−6

𝑉𝑅 = 0,46 𝑉

O LED que indica o funcionamento da fonte precisa ter uma corrente limitada.

Como a tensão sobre o ramo do LED é de 42,43 V, uma resistência de 5,7 kΩ limita o

valor da corrente para aproximadamente 7,2 mA, considerando a queda no LED de

1,4 V.

𝐼𝐿𝐸𝐷 =42,43 − 1,4

5700

𝐼𝐿𝐸𝐷 = 7,198 𝑚𝐴

Para o devido funcionamento do diodo Zener, é necessário limitar o valor de

corrente que passa por ele. A tensão no Zener corresponde a 25,9 V e a tensão da

fonte é de 42,43 V. Segundo o datasheet do diodo 1N4749, a corrente máxima que o

diodo pode suportar é de 190 mA. Por esse motivo, um resistor de 1kΩ foi utilizado,

pois assim a corrente no Zener é de

𝐼𝑆 =𝑉𝑆 − 𝑉𝑍

𝑅𝑆

𝐼𝑆 =42,43 − 25,9

1000

𝐼𝑆 = 16,53 𝑚𝐴

um valor bastante razoável, permitindo assim que o Zener não venha a romper.

No comparador, deve-se fazer um divisor de tensão, onde a tensão deve variar

de 0 a 5 V. Como a tensão máxima de saída é de 24,3 V, deve-se fazer um divisor de

tensão onde a tensão no trimpot seja de 5 V. Dessa maneira, como 𝑅1 é de 1,6 kΩ a

resistência que deve ser ajustada no trimpot é de

𝑅𝑇 . 𝐼 = 5 𝑉

𝐼 =24,3 𝑉

𝑅1 + 𝑅𝑇

𝑅𝑇 .24,3 𝑉

𝑅1 + 𝑅𝑇= 5 𝑉

𝑅𝑇 = 414,51 Ω

Por ser um valor difícil de ser fixado, a melhor opção é usar um trimpot, pois

além de ter um ajuste mais fino, é possível compensar o aumento da resistência

devido às soldas e às trilhas.

Comparativamente, há valores de corrente medidos e calculados, para o LED

e para a corrente de emissor do trasistor. A Tabela 1 apresenta os valores coletados.

Tabela 1 - Comparação entre valores medidos e calculados

Valor medido Valor calculado

Corrente no LED 7,3 mA 7,198 mA

Corrente de emissor 15,82 mA 16,53 mA

É possível observar que os valores medidos e calculados são bem próximos.

Os valores da corrente de coletor e da corrente de base também foram

medidos. Com esses dados é possível estimar o valor de 𝛽 do transistor.

𝛽 =𝐼𝐶

𝐼𝐵

𝛽 =15,66. 10−3

91,2. 10−6

𝛽 ≅ 172

13

4. METODOLOGIA

Os resultados obtidos na simulação computacional e nos testes de bancada

diferiram um pouco. Na simulação os valores aproximam muito dos valores ideais,

principalmente no diodo Zener, que consegue manter a tensão em24 V exatos. Nos

testes de bancada, foi possível verificar que o Zener não mantem a tensão em 24 V,

mas sim em 25,9 V.

Considerando valores ideais, o Zener que deveria ser usado é o 1N4750, que

mantém a tensão em 27 V.

As figuras abaixo registram o período de simulação e testes.

Figura 4 - Simulação computacional

Figura 5 - Teste de bancada

Figura 6 - Montagem em placa de circuito impresso

15

Figura 7 - PCI

Figura 8 - Circuito impresso

A Tabela 2 apresenta os materiais utilizados e o custo total do projeto.

Componente Quant. Valor Unit. Valor Total

LED Azul 5 R$ 0,58 R$ 2,90

LED Branco 5 R$ 0,62 R$ 3,10

LED Vermelho 1 R$ 0,90 R$ 0,90

Borne KF-301 3T 2 R$ 0,84 R$ 1,68

Placa de Fenolite 10x20 cm 1 R$ 4,02 R$ 4,02

Suporte para Fusível 1 R$ 0,36 R$ 0,36

Transformador 15+15 V 1A 1 R$ 19,66 R$ 19,66

Fusível 2,5A 1 R$ 0,14 R$ 0,14

Resistor 3K 1 R$ 0,15 R$ 0,15

Resistor 2K7 1 R$ 0,13 R$ 0,13

Resistor 22R 1 R$ 0,25 R$ 0,25

Resistor 1K 2 R$ 0,15 R$ 0,30

Resistor 2K2 1 R$ 0,15 R$ 0,15

Resistor 100R 1 R$ 0,15 R$ 0,15

Resistor 1K5 1 R$ 0,50 R$ 0,50

Diodo Zener 1N4749 1 R$ 0,18 R$ 0,18

Diodo 1N4007 3 R$ 0,15 R$ 0,45

Chave Gangorra ON/OFF 1 R$ 0,59 R$ 0,59

Capacitor 1000 𝜇F 25V 2 R$ 0,50 R$ 1,00

Soquete 18 pinos 1 R$ 0,24 R$ 0,24

CI LM3914 1 R$ 7,00 R$ 7,00

Trimpot 5K 1 R$ 2,00 R$ 2,00

Transistor TIP41C 1 R$ 1,24 R$ 1,24

CI LM7815 1 R$ 1,47 R$ 1,47

Borne Banana Preto 1 R$ 0,91 R$ 0,91

Borne Banana Vermelho 1 R$ 1,16 R$ 1,16

CUSTO TOTAL R$ 50,63

17

5. BIBLIOGRAFIA

BOYLESTAD, Robert L; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos: e teoria de

circuitos. 8. Ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004. 672 p.

MALVINO, Albert Paul. Eletrônica: Volume 1. 4. Ed. São Paulo: Pearson Prentice

Hall. 747 p.