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Warning: TT: undefined function: 32PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAISDepartamento de Engenharia Elétrica, Instituto Politécnico da PUC MinasFONTE DE ALIMENTAÇÃO DE TENSÃO REGULADA EM 12 VOLTSBelo Horizonte 2020FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE TENSÃO REGULADA EM 12 VOLTSTrabalho apresentado à di...

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Departamento de Engenharia Elétrica, Instituto Politécnico da PUC Minas

FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE TENSÃO REGULADA EM 12 VOLTS

Belo Horizonte 2020

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FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE TENSÃO REGULADA EM 12 VOLTS

Trabalho

apresentado

à

disciplina

de

Laboratório de Dispositivos Eletrônicos do Instituto

Politécnico

da

Pontifícia

Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito para a obtenção de créditos necessários à aprovação.

Belo Horizonte 2020

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RESUMO

Este trabalho consiste no projeto e construção de uma fonte de tensão de saída constante de 12 volts, usando um circuito integrado regulador de tensão com as curvas de Shade em anexo. Contém o dimensionamento do capacitor que fará parte do sistema de filtro e atuará diretamente no ripple da fonte. Para a redução da tensão de saída, foi adotado o Circuito Integrado LM7812.

Palavras-chave: Fonte, Shade, transformador.

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO....................................................................................

7

1.1

Justificativa.......................................................................................

7

1.2

Objetivo..............................................................................................

7

2

REVISÃO DE LITERATURA..............................................................

8

2.1

Transformadores...............................................................................

8

2.2

Ponte de diodos................................................................................

9

2.3

Filtro capacitivo.................................................................................

11

2.4

Circuito Integrado Regulador de tensão.........................................

11

3

METODOLOGIA.................................................................................

14

3.1

Procedimentos para projeto de uma fonte de tensão....................

14

3.2

Cálculos para o dimensionamento do circuito...............................

16

4.

CONSTRUÇÃO...................................................................................

23

4.1

Placa de circuito ...............................................................................

23

4.2

Componentes eletrônicos................................................................

24

4.

CONCLUSÃO.....................................................................................

27

REFERÊNCIAS.............................................................................................

28

ANEXO..........................................................................................................

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1.

INTRODUÇÃO O projeto de uma fonte linear visa garantir que a saída do circuito apresente uma

tensão contínua pré-determinada, independente da corrente de saída, de variação da temperatura ambiental ou distúrbios na tensão dea rede alternada de alimentação de entrada, transformando a energia elétrica

inicial através de processos

específicos realizados pelo transformador de tensão, circuito retificador , filtro e regulador de tensão. Esta transformação garante a corrente contínua necessária para que a maioria dos aparelhos eletrônicos tais como aparelhos de som, baterias de telefones celulares, entre outros, possam funcionar.

1.1. Justificativa Este projeto surgiu da necessidade do aprofundamento do conhecimento sobre fontes de forma que associa a teoria com a prática, abordando conceitos essenciais para a área da eletrônica, visando uma melhor formação para nós como futuros engenheiros. 1.2. Objetivo Construção de uma fonte linear reguladora de tensão utilizando um transformador abaixador, uma ponte construída a partir de diodos (ponte retificadora), um filtro capacitivo e um CI LM7812.

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2. REVISÃO DE LITERATURA

Uma fonte de alimentação regulada nada mais é que um circuito eletrônico projetado para proporcionar uma tensão contínua pré-determinada independente da corrente de saída da temperatura ou de quaisquer variações na tensão da rede CA de alimentação de entrada. Basicamente, as fontes de alimentação reguladas lineares são compostas pela estrutura mostrada no diagrama de blocos da figura 01.

Figura 01: Diagrama de blocos.

Como mostra a figura, a parte não-regulada contém os componentes responsáveis pela transformação da tensão da rede para o nível de tensão CA desejado (transformador), pela conversão CA/CC (retificador) e pela redução das oscilações (ripple) da tensão retificada (filtro). A seguir serão discretizados os componentes do diagrama em blocos.

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2.1.

Transformadores

Figura 02: Exemplo de transformador.

O transformador é um dispositivo que transforma uma corrente alternada senoidal, com uma determinada tensão, numa corrente elétrica senoidal, com uma tensão eventualmente diferente, sendo esta transformação realizada através da ação de um fluxo magnético no acoplamento de dois enrolamentos. Além da transferência de energia, que é feita de uma forma econômica, e além de manter a frequência constante, o transformador é usado para isolar o amplificador (e os usuários) da tensão da rede e reduzir (para equipamentos de estado sólido, pelo menos), a tensão para um nível que o amplificador pode tolerar. Há uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução eletromagnética. No projeto de fontes lineares, em resumo, o objetivo do transformador é adequar o nível de tensão alternada da rede para um nível correto de tensão que se deseja.

Figura 03: Representação real de um transformador.

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Quando ligamos uma corrente alternada no enrolamento primário é produzido um campo magnético que é proporcional ao número de voltas do fio em torno do metal e a intensidade da corrente aplicada. O fluxo magnético que é produzido chega ao núcleo do braço metálico e sem encontrar resistência chega ao enrolamento secundário.

Figura 04: Fluxo magnético do transformador.

Após chegar ao enrolamento secundário, por indução eletromagnética, cria-se uma corrente elétrica que tem variação de acordo com corrente do enrolamento primário e também com o número de espiras dos dois enrolamentos. Dessa maneira, um novo valor de tensão pode ser obtido no secundário, através do fluxo magnético criado pela primeira bobina. Geralmente o núcleo de aço dos transformadores é laminado para reduzir a indução de correntes parasitas (corrente originada quando há variação no fluxo magnético de uma massa metálica) ou de corrente de Foucault, no próprio núcleo, já que essas correntes contribuem para o surgimento de perdas por aquecimento devido ao efeito Joule. Em geral se utiliza aço-silício com o intuito de se aumentar a resistividade e diminuir ainda mais essas correntes parasitas.

Figura 05: Perdas devido ao efeito jaule

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Para casos especiais, existe o modelo de transformador ideal, ou seja, aquele em que o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, de forma que não existam perdas (por efeito Joule, correntes induzidas, histerese ou perdas por dispersão magnética) de qualquer natureza, seja nos enrolamentos, seja no núcleo.

Figura 06: Relação de transformação de um transformador ideal.

Observe que, no transformador ideal, dado o princípio de conservação da energia, é perfeitamente claro que a potência (Potência = Tensão x Corrente) se mantém dos dois lados do transformador, o que faz com que a partir da mudança na tensão, exista alteração na corrente, de modo a manter a mesma energia (Energia = Potência/tempo). Existe também um tipo de transformador denominado autotransformador, no ual o enrolamento secundário possui uma conexão elétrica com o enrolamento do primário.

Figura 08: Esquema de um auto transformador

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É um caso particular de transformador de potência, com um único enrolamento, dividido em dois. A tensão de saída é obtida à custa da divisão de tensão do enrolamento, como se pode ver na figura 5. Este tipo de transformador é mais barato (um único enrolamento), no entanto, não isola o circuito elétrico primário do circuito elétrico secundário, havendo, por exemplo, uma quebra nas espiras N2, a tensão VS torna-se igual à tensão VP. Para este tipo de transformador a relação entre as tensões é dada por:

2.2.

Ponte de Diodo

Figura 03: Diodos usados no processo de retificação

A ponte retificadora de diodo é um dispositivo que permite que uma tensão ou corrente alternada (CA) (normalmente senoidal) do secundário transformador, seja transformada em contínua ondulada (com ripple). Desta forma quando polarizado diretamente, pode ser considerar como uma chave fechada (conduzindo) e quando polarizado reversamente como uma chave aberta (não conduzindo). O nome em ponte é devido ao uso de quatro diodos em uma configuração similar ao circuito usado em instrumentação chamado “Ponte de Wheatstone”. Por ser um retificador de onda completa o capacitor de filtro é menor do que o capacitor de filtro do circuito de meia onda.

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Quando a tensão no secundário for positiva no ponto “A” em relação ao ponto “B” a corrente flui passando pelo diodo D1 da ponte, pois, a corrente deve seguir o sentido da seta dos diodos. Depois a corrente passa pela carga RL, volta pelo terra para o terminal negativo da ponte e encontra dois diodos com setas habilitando a corrente a circular, mas, a corrente vai para o potencial mais baixo que é ponto “B” do transformador via diodo D2, acorrente segue em direção ao terminal negativo. Na verdade o diodo D1 está inversamente polarizado, pois o potencial mais alto está no catodo como pode ser visto na figura 4, abaixo.

Figura 04: Semi-ciclo positivo.

Quando a tensão no secundário for positiva no ponto “B” em relação ao ponto “A” a corrente flui passando pelo diodo D4 da ponte, pois, a corrente deve seguir o sentido da seta dos diodos. Depois a corrente passa pela carga RL, volta pelo terra para o terminal negativo da ponte e encontra dois diodos com setas habilitando a corrente a circular, mas, a corrente vai para o potencial mais baixo que é ponto “A” do transformador via diodo D3, a corrente segue em direção ao terminal negativo. Na verdade o diodo D2 está inversamente polarizado, pois o potencial mais alto está no catodo, como é mostrado na figura 05.

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Figura 05: Semi-ciclo negativo.

Ao dimensionar um circuito com diodo, deve ser observada a tensão de pico inversa (PIV), a potência máxima e a corrente máxima suportável pelo diodo. No circuito retificador quando o diodo não está conduzindo ele estará sujeito a uma tensão inversa, se esta tensão for maior do que a tensão inversa máxima permitida o diodo poderá queimar. Consultando o manual do fabricante será possível selecionar o diodo para o projeto. Para determinar a tensão inversa em um circuito retificador se faz necessário usar a Lei das Tensões de Kirchhoff, construindo uma malha que passe pelo diodo que não está conduzindo. 2.3. Filtro capacitivo

Figura 06: Filtro capacitivo

A função dos filtros nas fontes de alimentação é reduzir a componente alternada do sinal, preservando a componente contínua (DC), com o objetivo de reduzir o ripple da fonte. As impedâncias dos componentes reativos dos filtros (capacitores e indutores) influem significativamente na amplitude da componente alternada do sinal

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enquanto exercem pouca ou nenhuma influência na amplitude da componente contínua (DC) do sinal. O sinal que sai do retificador passa por um filtro capacitivo, que nada mais é que um capacitor de alta capacitância em paralelo com a fonte. Deve-se ficar atento ao valor do capacitor, pois se este não for adequado, poderá aparecer uma oscilação não desejada, chamada de Fator de Ripple. Esse fator é menor quanto maior for o valor da capacitância. Porém, aumentando a capacitância do filtro, aumenta-se a corrente de pico nos diodos retificadores, já que eles passaram a conduz em um tempo muito curto e a corrente de carga passara por todos eles. Desta forma, é muito importante calcular, e com a utilização das curvas de Shade, especificar o capacitor adequado ao circuito.

2.4.

Circuito Integrado Regulador de tensão O regulador de tensão tem a função de manter a tensão constante mesmo

havendo variações da tensão na entrada ou na corrente de saída. Os reguladores de tensão podem ser podem ser implementados com componentes discretos ou podem ser obtidos na forma de circuito integrado. Os circuitos integrados (CI) reguladores de tensão são mais precisos e tornam o circuito mais compacto por ocuparem menos espaço. Existem diversos tipos de CI’s reguladores entre os quais está aquele utilizado para este trabalho, o 7812, da série 78XX, utilizados para tensões positivas. A figura abaixo é a representação dos pinos do CI 78XX, obtida do seu datasheet. Como mostra a figura 05, o pino 1 deve ser ligado à entrada e o pino 2, ao comum ou terra.

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Figura 07: Pinagem do 78XX.

Para este trabalho foi escolhido o CI 7812 que permite valores fixos de tensão de 12 V e corrente máxima de 1 A. A tabela abaixo mostra os possíveis valores para duas séries (78XX e 79XX). Tabela 01: Valores de tensão e corrente para as séries 78XX e 79XX.

As características dos reguladores de tensão 78XX são:  Máxima tensão de entrada: 35V;  Tensão mínima de entrada deve ser aproximadamente 3V acima da tensão de saída;  Máxima corrente na saída: 1A.  Máxima potência dissipada: 15 W. A potência dissipada pode ser calculada pela seguinte equação:

(1)

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Recomenda-se utilizar um dissipador de calor para potências superiores a 1W. A seguir, na figura 07, é mostrada a disposição de todos os componentes no circuito.

Figura 08: Esquema do circuito da fonte.

3. METODOLOGIA E CÁLCULOS

Para a construção da fonte foi utilizado o seguinte esquema como base.

Figura 09: Esquema do circuito da fonte.

Os passos para o projeto e construção da fonte são descritos no guia apresentado em aula e são descritos nos tópicos a seguir:

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3.1. Procedimentos para projeto de uma fonte de tensão

1) Escolher o regulador em CI de acordo com a tensão e corrente máxima a ser aplicada à carga. Em nosso caso ficaremos limitados à família de reguladores 78XX que permite alguns valores fixos de tensão e corrente máxima de 1 A. Consultar o manual do fabricante para saber valores de tensão disponíveis. Para este trabalho foi escolhido o 7812, cujas características já foram apresentadas no subtópico 2.4. 2) Observar pelas características fornecidas pelo manual, que tais reguladores possuem algumas características muito importantes: rejeição de “ripple” ou ondulação maior que 50 dB , resistência de saída muito baixa , menor que 20 mΩ e consumo de corrente também muito baixo menor que 10 mA .Observar, ainda, que é necessário ter-se um “drop-out” ΔV = Vi–Vo, diferença entre a tensão de entrada e de saída no regulador de, no mínimo 2 Volts . Recomenda-se usar 3 Volts. Estas observações são importantes, pois através delas vamos obter os valores da tensão de saída da fonte não regulada, corrente máxima que a fonte deve fornecer, bem como o fator de “ripple” que deveremos adotar para o projeto da fonte não regulada. 3) Devemos ainda, saber qual a relação RS/RL a ser adotada. E RS depende, principalmente, do transformador a ser usado. Como não temos ainda o transformador, é norma a ser adotada, para fontes de pequena potência, tomar uma relação é igual a RS/RL=10%; assim considerando, RS = 0,1 x RL. Devido ao alto fator de rejeição de “ripple” do regulador, adotaremos o valor de r = 5 %. 4) De posse desses valores poderemos, agora, calcular a fonte não regulada. Para isso, vamos usar as CURVAS DE SHADE. Na primeira curva, obteremos o valor do Capacitor a ser usado; como estamos usando retificação em onda completa (full-wave) usar, como mostra os gráficos, a curva de RS/RL=10% dentre as quatro últimas curvas; com r = 5%

(eixo vertical) tiramos a paralela ao eixo horizontal até

encontrar a curva de 10% e, deste ponto , tiramos a perpendicular até cortar o eixo horizontal num valor n que deverá ser lido . Este eixo corresponde ao produto: (2)

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Nesta equação:

(3) Onde f = 60 Hz, logo ω = 2 x 3,14 x 60 = 377 rd/s. Podemos agora calcular o valor de C; este valor é expresso em µF e, obrigatoriamente deverá ser eletrolítico.

Usar o valor comercial superior mais

próximo. A tensão de trabalho a ser usada deverá ser maior que o V (PK) que será calculada a seguir. Ao ligar o capacitor eletrolítico, observar que o mesmo possui polaridade. (4) O valor comercial adotado foi o de 2200ɳF x 25V. 5) Através da segunda curva vamos calcular os valores de V (PK), valor este tirado da relação VC/V (PK)% obtida usando os mesmos valores anteriores; observar que VC = Vi Com o valor de V(PK) obtido, calcularemos o valor de VRMS do transformador usando a relação:

(5) 6)

Para as curvas à seguir os valores de ω RLC e as curvas RS/RL deverão ser

multiplicadas e divididas , respectivamente por 2 , de acordo como indicado no rodapé dos gráficos ; observar , também, que para usar o valor IF(AV) (por diodo), dividir a corrente Ii por 2 , já que estamos usando retificador de onda completa . 7) Das terceira e quarta curvas calcular, respectivamente, os valores de IF(RMS) que é o valor da corrente para o transformador e IF(PK), corrente de pico repetitiva que vai ser usada para dimensionar os diodos 8) Calcular ainda a corrente de surto nos diodos pela relação

(6)

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9) A tensão de pico inversa do diodo é dada por PIV = V(PK), para retificador em ponte. 10) O fabricante do CI recomenda o uso dos capacitores C2 =330 ɳF e C3=100 ɳF especificados pelo manual.

3.2. Cálculos para o dimensionamento do circuito

O transformador a ser utilizado é de 127vx16vx2A. Como a diferença entre a tensão de entrada e a de saída é de no mínimo 2V, o “drop-out” ΔV=Vi –Vo, adotado, segundo recomendação do professor é no mínimo de 3V, assim: Vi=16v, VO=12v

logo:

ΔV=16v-12v = 4v

Io = 1A tomando um coeficiente de segurança de 10%, Ii=1 A, então: a) Cálculo de RL:

Cálculo de RS: Rs = 0, 1 * 16Ω = 1,6 Ω Cálculo da capacitância do capacitor não especificado com o auxílio das curvas de Shade. Usando a curva I: N = 12 e ω = 2*π*60 = 377rad/s, então:

O valor comercial adotado foi o de 2200ɳF x 25V. As curvas de Shade usadas estão disponíveis no ANEXO. b) Cálculo das tensões e correntes disponíveis no circuito: Pela curva II:

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Cálculo de VPK:

Cálculo de VRMS:

Cálculo dos valores de IEF e IPICO: Para este cálculo, utilizou-se a curva 3, do anexo. Lembrar que a deve-se utilizar a corrente por diodo nos cálculos, para tanto usar a convenção com n=2 mostrada na legenda da...