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Projeto de uma fonte de alimentação de 27 V para um circuito eletrônico, cujo consumo de corrente varie entre 0 e 100mA. A tensão da rede é de 220 V...

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INSTITUTO DE ENSINOS SUPERIORES DA AMAZÔNIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

TRABALHO DE ELETRÔNICA APLICADA A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL.

Aluno: William Ribeiro Costa Professor: Esp. Epaminondas Machado

BELÉM/PA 2014

INSTITUTO DE ENSINOS SUPERIORES DA AMAZÔNIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

FONTE DE TENSÃO ESTABILIZADA.

WILLIAM RIBEIRO COSTA

BELÉM/PA 2014

INTRODUÇÃO

A eletrônica é a ferramenta da maioria das áreas de engenharia que envolve aplicações práticas, ela pode ser usada na medicina, nas tecnologias, na fabricação de armamentos, nos esportes, no lazer e no dia a dia das pessoas. A geração e distribuição de energia elétrica é em sua maior parte feita em corrente alternada, com tensões senoidais, no entanto, grande parte dos aparelhos eletrônicos funcionam com tensão contínua. A fim de solucionar essas incompatibilidades é necessário que circuitos transformem tensão alternada em tensão contínua. Neste trabalho será projetada uma fonte de tensão estabilizada que tem como objetivo fornecer uma tensão constante a uma determinada carga, que pode variar ou ter um valor fixo.

A fonte de tensão estabilizada

mantém o valor de tensão entregue a carga constante independente do valor de corrente por ela solicitada, na prática isso acontece em certo intervalo de valores de corrente.

FONTE DE TENSÃO

Uma fonte de alimentação é um aparelho ou dispositivo eletrônico constituído por 4 blocos de componentes elétricos que são: um transformador, um circuito retificador, um filtro capacitivo e um regulador de tensão. A fonte de alimentação é usada para transformar a energia elétrica sob a forma de corrente alternada (CA) da rede em uma energia elétrica de corrente contínua, mais adequada para alimentar cargas que precisem de energia corrente contínua (CC). Numa fonte de alimentação do tipo linear, a tensão alternada da rede elétrica é aumentada ou reduzida por um transformador, retificada por diodos ou ponte de diodos para que somente os ciclos positivos ou negativos possam ser usados; em seguida estes são filtrados para reduzir o ripple (ondulação) e finalmente regulados pelo circuito regulador de tensão. Na configuração básica da fonte de tensão é utilizado apenas um diodo zener para manter a tensão no nível desejado. A configuração básica tem uma limitação de funcionamento, pois se houver mudanças no valor da carga (o que normalmente acontece em casos práticos) haverá uma variação na corrente que passa pelo zener, e esta variação pode fazer com que o zener saia de sua faixa de operação e forneça uma tensão de saída diferente da desejada. Para solucionar essa situação é usado um transistor para manter a tensão constante independente da corrente solicitada pela carga, sendo assim temos uma fonte de tensão estabilizada, para que o transistor atue da forma desejada no circuito sua configuração deve ser de base comum. Obviamente na prática, a tensão só permanece constante dentro de uma faixa de valores de correntes de saída.

PROJETO DA FONTE DE TENSÃO ESTABILIZADA

Projetar uma fonte de alimentação de 27 V para um circuito eletrônico, cujo consumo de corrente varie entre 0 e 100mA. A tensão da rede é de 220

.

Circuito de Entrada do Estabilizador de Tensão O primeiro passo para o projeto é escolher o circuito de entrada para o estabilizador de tensão. O circuito utilizado será o seguinte:

Figura 1: Retificador de Onda Completa com Derivação Central

Transformador O transformador abaixador diminuirá o nível da tensão, o circuito é composto por um retificador de onda completa com derivação central e um capacitor de filtro, como mostra a figura 2.

Figura 2: Transformador com Derivação Central

O retificador de onda completa com derivação central tem a característica da tensão de pico sobre a carga ser a metade da tensão no secundário do transformador, logo a tensão

deve ser pelo menos 50% maior que a tensão desejada. Desta forma a tensão de entrada pode ser estimada por:

Para este circuito que utiliza a derivação central, a tensão de cada parte do secundário do transformador ( e ) deve ter um valor próximo ao estipulado. ( )

√

√

( ) O transformador utilizado será de 220V/30+30V – 500 mA. Este limite de corrente foi escolhido, pois é superior a corrente de carga (100 MA). Isso fará com que o transformador trabalhe com folga no caso de máximo consumo de corrente. Diodos Retificadores O circuito retificador de onda completa com derivação central é formado por dois diodos que conduzem em semiciclos diferentes. A figura 3 ilustra o circuito.

Figura 3: Retificador de Onda Completa com Derivação Central

Como as tensões

e

são defasadas de 180°, durante o semiciclo positivo o

diodo está conduzindo enquanto do diodo corta, durante o semiciclo negativo é o diodo que está conduzindo, enquanto o diodo está em corte. Assim na saída do retificador a carga sempre terá apenas a polaridade positiva. A figura 4 ilustra as formas de onda neste retificador.

Figura 4: Formas de Onda no Retificador de Onda Completa com Derivação Central

As especificações desses diodos são a corrente na carga e a tensão de pico reversa. A corrente máxima demanda é de 100 mA de acordo com as especificações do projeto, como cada diodo conduz somente em um semiciclo, a corrente que eles devem suportar corresponde a metade da corrente média sobre a carga, logo:

A tensão reversa que os diodos devem suportar é a tensão total de pico no secundário já que suas duas metades somam-se sobre os diodos quando estes estão cortados. A tensão máxima no secundário do transformador é de 82 V (pico-a-pico), logo a tensão que o diodo deve suportar é:

A partir das especificações mínimas para funcionamento, os diodos escolhidos são os do tipo 1N4001 (100V/1A). Filtro Capacitivo A tensão de saída de um retificador sobre uma carga é pulsante. Durante um ciclo completo na saída a tensão no resistor aumenta de zero até um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No entanto a tensão de uma bateria deve ser estável. Para que o circuito retificador básico fique completo é necessário a utilização do filtro capacitivo que aproxime a tensão de saída do retificador a uma tensão contínua. Logo após o pico positivo o diodo para de conduzir, o que significa uma chave aberta. Isto devido ao fato de o capacitor ter uma tensão de pico (Vc). Como a tensão no secundário é ligeiramente menor que Vc, o diodo fica reversamente polarizado e não conduz. Com o diodo aberto o capacitor se descarrega por meio do resistor de carga .A idéia do filtro é a de que o tempo de descarga do capacitor seja muito maior que o período do sinal de entrada.Com isso, o capacitor perderá somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte. O diodo só voltara a conduzir no momento em que a tensão no secundário iniciar a subir e seja igual a tensão no capacitor. O capacitor fica em paralelo com a saída, isso pode ser visto na figura 1. Na saída do circuito retificador com filtro temos a seguinte tensão máxima: ( ) √

√

O tensão de ripple no capacitor é estimado:

O valor de capacitância é obtido pela seguinte fórmula:

Onde:

No circuito com retificação completa com derivação central o valor de frequência utilizado para cálculo da capacitância, deve ser o dobro da frequência da rede, pois na saída do retificador a onda diminui seu período pela metade, isso é ilustrado na figura 4. Assim a capacitância será:

A tensão de pico deve ser maior que a saída do retificador, ou seja:

Dessa forma o capacitor escolhido tem os seguintes valores Onde

.

é a tensão em cima do diodo, considerando que o diodo utilizado é o de

silício. Considerando uma tensão de ripple de 5 V, temos:

Transistor O papel principal de transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle de passagem de corrente entre o coletor e o emissor através da base. No circuito do regulador de tensão é utilizado um transistor na configuração base comum, nesta configuração o emissor é o terminal de entrada de corrente e o coletor é o terminal de saída da corrente do circuito, sendo que o terminal base é comum as tensões de entrada e de saída. A escolha do transistor é feita principalmente pela máxima potência de coletor: (

)

(

)

Para garantir o funcionamento do transistor com folga, escolhe-se um transistor com pelo menos o dobro do valor de potência desejada.

O transistor escolhido foi o BD137, sua potência máxima é de 8 W. Esse transistor satisfaz com muita folga a necessidade do circuito. Diodo Zener O diodo zener tem quase as mesmas características de um diodo normal, a diferença esta na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente. A tensão reversa do diodo é praticamente constante no intervalo de corrente que vai de

até .

A aplicação do zener em fontes de tensão é justamente por essa sua característica de operação na região reversa. Ele pode manter a carga em uma tensão constante, enquanto estiver operando dentro de seus limites. Como a fonte de tensão é de = 27 V, o diodo zener deve ter uma tensão de:

Logo o diodo zener escolhido tem as seguintes características:

Sabendo essas especificações pode-se calcular os limites de corrente do diodo zener:

A tensão nominal do diodo zener escolhido é um pouco maior que a tensão necessária, esta escolha é justificada pelo fato dos fabricantes preverem um dispositivo com uma pequena faixa de valores. Resistor Limitador O resistor limitador é necessário para que a corrente que irá passar sobre o zener não o tire da sua região de operação, ele limita a corrente que deve passar pelo zener. Como o diodo zener funciona em uma faixa de correntes (já calculadas) irá existir uma faixa de valores de resistências:

Assim:

O valor adotado foi de:

Com esse valor podemos calcular a potência máxima que pode ser dissipada no resistor: (

Portanto será utilizado:

)

(

)

.

Potência e Corrente máximas no Diodo Zener A potência máxima e a corrente máxima no zener já foram calculadas através da tensão do zener, no entanto deve-se ter uma confirmação destes valores utilizando o circuito com a resistência limitadora, para averiguar se os valores adotados anteriormente são coerentes.

Ou seja, fazendo a análise pelo circuito corrente que o diodo deve operar.

A potência calculada através do circuito é:

está dentro da faixa de valores de

Portanto o valor de potência especificado para o diodo também está aceitável através da analise do circuito, uma vez que foi escolhido o valor de:

Existe uma boa folga no valor de potência escolhido. Com isso concluímos que os valores de potência e corrente escolhido anteriormente estão compatíveis com as limitações do circuito....