Relatório de Eletrônica Analógica PDF

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Relatório para disciplina eletrônica analógica...

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Introdução Aparelhos utilizados no dia a dia, como geladeiras, ventiladores e aquecedores trabalham com corrente e tensão alternada, recebendo-as diretamente da tomada comum que gera tensão CA, normalmente 127 Volts ou 220 Volts, por não sofrer perdas tão grandes quanto a tensão CC quando transmitidas a longas distâncias, mas, quando se trata de circuitos eletrônicos e equipamentos utilizados na área biomédica, é necessário ter um conversor de tensão CA para CC por eles operarem com este tipo de corrente. Para resolver esse tipo problema existem os conversores estáticos de energia, que são circuitos eletrônicos utilizados para converter um tipo de tensão em outro. O circuito que converte tensão CA para CC é chamado de Retificador e é o utilizado neste projeto; já o circuito que converte tensão CC para CC é chamado de Chopper, utilizado quando é necessário alterar o valor da tensão; o circuito que converte tensão CC para CA é chamado de Inversor de Frequência e o que converte tensão CA para CA é chamado de Cicloconversor, sendo utilizado para modificar a frequência ou a amplitude. As fontes CC estão entre os circuitos mais utilizados por fornecerem a alimentação da maioria dos circuitos eletrônicos mais complexos, podendo ter ou não Regulador Zener, dependendo da quantidade de variação de tensão no tempo (Ripple de tensão) exigida pelo circuito. Como a intenção é alimentar uma carga ou um outro circuito qualquer com tensão CC sem utilizar da fonte de alimentação disponível no laboratório tendo alimentação gerada pela tomada comum, o projeto foi montar uma fonte CC completa regulada a Zener, feita manualmente em um protoboard com seus cinco estágios, sendo estes, respectivamente, abaixador de tensão utilizando de um transformador, retificador a diodo, filtro capacitivo, regulador de tensão e carga. Assim como será descrito abaixo. Objetivos Os objetivos da prática são projetar uma fonte CC completa regulada a Zener, com todos os cálculos necessários para seu devido funcionamento orientados a partir dos parâmetros requeridos pela carga, simulá-la e montá-la, além de obter um aprimoramento dos desenvolvedores do projeto em relação a montagem de circuitos eletrônicos, um maior conhecimento sobre fontes de tensão CC, na teoria e na prática, e dos componentes necessários em seu desenvolvimento, assim como dos instrumentos utilizados na simulação. Mostrando novas alternativas para alimentação de circuitos eletrônicos sem utilizar de fontes já prontas. Materiais e métodos Metodologia de cada parte/estágio Quinto estágio- Carga

O quinto estágio é o ponto de partida dos cálculos do projeto, os parâmetros requeridos pela carga ou circuito a ser alimentado pela fonte CC projetada vão orientar todo o trabalho. No caso, os parâmetros e requisitos da carga no projeto foram: i. ii. iii. iv. v.

Tensão de saída: 4,7 Vcc Corrente de saída: 0 (Icc mín) a 227mA (Icc máx) Fator de Ripple de saída: menor que 1% Regulação de carga: menor que 1% Valor da carga: 22Ω/ 5W

A partir destes dados, é calculado A e B que são duas elevações de tensão em relação a Vcc, assim como Vmáx e Vmín na saída do filtro capacitivo que são as tensões máxima e mínima que entram no estágio regulador Zener. A= Vmín – Vcc, sendo A= 30% a 60% de Vcc. B= Vmáx – Vmín, sendo B= 10% a 30% de Vcc, e também o ripple pico a pico na saída do filtro. Se Vcc for pequeno, normalmente é utilizado 60% para A e 30% para B, caso contrário, é utilizado 30% para A e 10% para B, no projeto foi utilizado A=60% de Vcc e B=30% de Vcc. Aumentar A significa aumentar a potência e custo do resistor Rz, mas reduz a potência e custo do diodo Zener. Já aumentar B significa aumentar a potência e custo do resistor Rz e do diodo Zener, mas diminui a capacitância e custo do capacitor. Consequentemente, é necessário sempre fazer os cálculos para ver qual projeto será mais barato e acessível. Vmín= Vcc + A Vmáx= Vmín + B Em seguida é calculado a tensão média na saída do filtro pela fórmula: Vcc= Vmáx – Vrpp/2 Todos os cálculos descritos são conforme mostrados na Figura 1.

Error: Reference source not found Quarto estágio- Regulador de tensão Zener

Neste estágio é definido o regulador a Zener, ou seja, o resistor zener (Rz) e seus parâmetros que são seu valor e sua potência (Prz), e o diodo Zener utilizado e seus parâmetros que são sua tensão (Vz) e sua potência (Pz). Ele tem como objetivo retirar definitivamente as ondulações, ou seja, a componente CA, da tensão de saída da fonte a um nível tão baixo que possa ser considerado constante, as tensões máxima e mínima que entram nesse estágio são as vindas do filtro capacitivo que será explicado no próximo estágio. O diodo Zener é projetado para ter uma tensão de avalanche (TPI) muito menor do que as tensões de avalanche reais nos outros diodos por a quebra das ligações dentro do material ser por campo elétrico e não por temperatura, ou seja, a tensão reversa máxima que ele atinge sem queimar é menor, mas juntamente a isso ocorre o efeito Zener no qual o diodo quando polarizado reversamente mantém a tensão Vz constante na condição ideal dentro de uma faixa de corrente que vai de Iztest ou Izmín até Izmáx, ambos definidos no datasheet do diodo pelo fabricante. Quando a corrente ultrapassa Izmáx o diodo queima e sem atingir Iztest o diodo Zener se comporta como qualquer outro diodo, por isso ele é muito utilizado quando é necessário operar na região Zener para estabelecer tensões de referência confiáveis, proteger circuitos ou outros semicondutores contra surtos de tensão, implementar circuitos de processamento de sinais ou implementar fontes de tensão CC de baixa potência sem ripple de tensão. No caso do projeto, foi utilizado esta função do diodo. Para calcular o valor do resistor zener é utilizado a seguinte fórmula: Rz≤ (Vmín – Vz) /Itmín, sendo Vz= Vcc na carga, por eles estarem em paralelo, e a corrente total mínima no resistor zener calculada através da fórmula: Itmín= Iztest + Icc máx A corrente total média no resistor zener é calculada através da seguinte fórmula: Itmédio= (Vccmédio – Vz) / Rz, sendo Vccmédio a média entre Vmáx e Vmín, ou seja, Vcc. A potência no resistor zener é calculada através da seguinte fórmula: Prz≥ Rz x Itmédio^2 Para calcular a potência no diodo Zener, é utilizado a fórmula: Pz≥ Vz x Izmédio, sendo a corrente média no diodo Zener calculada pela fórmula abaixo: Izmédio= Itmédio – Icc mín Os valores das potências e do resistor zener devem ser valores comerciais. Os diodos Zener disponíveis eram: 1N5336, 1N5337, 1N5338 E 1N5339, por meio do valor de Vz e dos datasheets desses diodos, o único que atendia aos parâmetros determinados pela carga era o 1N5337, que foi o escolhido para o

projeto da fonte CC completa. Os parâmetros dele são conforme mostrados na Tabela 1 obtidos em seu datasheet. Parâmetro Valor Tensão Zener (Vz) 4,7 V Corrente zener de teste (Iztest) 260mA Corrente zener máxima (Izmáx) 1010mA Potência máxima (Pd) 5W Error: Reference source not found Todos os cálculos descritos são conforme mostrados na Figura 2, que projetam o estágio regulador Zener do projeto de fonte CC completa.

Figura 2- Cálculos do estágio regulador Zener Terceiro estágio- Filtro Capacitivo Neste estágio é utilizado um filtro capacitivo ou uma associação em paralelo de capacitores para alcançar o valor desejado, com o objetivo de reduzir a oscilação pico a pico da tensão que será passada para o próximo estágio ou aplicada a um outro circuito, ou seja, reduzir a componente CA da tensão para que ela fique mais próxima de ser constante. A média de corrente sobre o filtro é 0, e a tensão que chega sobre ele é a que saiu do Retificador, tendo muita oscilação, para atingir o objetivo de converter a tensão CA em CC neste estágio seria necessário um capacitor de capacitância infinita, como isso não é possível, é utilizado o filtro com maior capacitância possível, reduzindo ao máximo o ripple de tensão. Para o projeto de fonte CC completa é necessário que seja estabelecido os dois parâmetros desse estágio que são a capacitância do filtro (C) e a tensão máxima no capacitor (Vcmáx).

O cálculo da tensão máxima no filtro é assim calculado: Vcmáx= Vmáx Já o cálculo da capacitância do filtro, é feito pelas fórmulas abaixo: C= Icc cap / (2 x f x Vrpp), para circuitos retificadores de onda completa, e: C= Icc cap / (1 x f x Vrpp), para circuitos retificadores de meia onda, por a frequência no primeiro ser de 120Hz e no segundo de 60Hz após os cálculos, sendo Icc cap a corrente que passa pelo capacitor. Mas, Itmédio=Icc cap, por a média de corrente no filtro capacitivo ser 0, ou seja, a corrente média que sai do Retificador a diodo é a mesma que entra no estágio regulador Zener, consequentemente, as duas fórmulas podem ser reescritas desta maneira: C= Itmédio / (2 x f x Vrpp) C= Itmédio / (1 x f x Vrpp) Assim como na escolha do Zener, os valores utilizados são os comerciais. Todos os cálculos do projeto de fonte CC são conforme mostrados na Figura 3 e a organização dos dados na Tabela 2. Capacitância do filtro Tensão máxima no capacitor

Representação C (µF)

Calculado 4166,6 µF

Adotado 4140 µF

Vcmáx (V)

8,93 V

16 V

Tabela 2- Cálculo do filtro capacitivo

Figura 3- Cálculo dos parâmetros do terceiro estágio Segundo estágio- Retificador a diodo Neste estágio um circuito a diodos transforma tensão alternada vinda do secundário do transformador em tensão mista, ou seja, com componente CC e CA. Os circuitos retificadores a diodo podem ser de três tipos: Retificador monofásico de meia onda, Retificador monofásico de onda completa com Tap Central e Retificador monofásico de onda completa em ponte, sendo este o

utilizado no projeto de fonte CC completa por ser mais barato que o segundo e ter uma retificação melhor que o primeiro. Para circuitos com filtro capacitivo, é necessário calcular um parâmetro dos diodos do segundo estágio chamado de máxima corrente de surto ( Ifsm) ou corrente de pico repetitiva ( Ifrm), por esses diodos, que no caso do projeto são 4, trabalharem com picos de corrente que são diretamente proporcionais ao valor do capacitor e inversamente proporcionais ao tempo, ou seja, quanto maior a capacitância maior o pico de corrente e menor o tempo, de acordo com a equação Q= I x t, sendo Q a carga no capacitor. Como a média de corrente no capacitor é 0, a corrente média que entra nele é a mesma que sai dele, mas a corrente média é dada pela área do gráfico de corrente no capacitor em função do tempo, ou seja, a área do gráfico de carga no capacitor tem que ser igual a área de descarga no capacitor, Ac=Ad, sendo a corrente que entra no capacitor a mesma que sai do estágio retificador segundo a equação: Ac= Ifrm x base/ 2, sendo a base o tempo para a corrente atingir o pico e voltar à 0, e Ifrm dada segundo a equação abaixo: Ifrm= I x T/ base Mas base é definida pela seguinte equação: base= [90 – arco seno (Vmín/Vmáx)] x T/360 Substituindo uma equação na outra: Ifrm=Ifsm= 360 x I / 90 – arco seno (Vmín/ Vmáx) A área do gráfico da corrente que sai do capacitor é dada segundo a equação: Ad=I x T/ 2, sendo T o período da forma de onda. A ponte retificadora a diodos tem outros parâmetros importantes, que são a tensão máxima nos diodos (Vr(p)), dada segundo a equação: Vr(p)> Vmáx + Vfm, sendo Vfm a tensão em condução do diodo da ponte retificadora. E a corrente média nos diodos (Io), dada segundo a equação abaixo: Io> Icc/2 Mas Icc=Itmédio, logo: Io> Itmédio/2 Todos esses cálculos estão mostrados nas Figura 4 e Tabela 3 com dados do projeto de fonte CC.

Figura 4- Parâmetros da ponte retificadora Representação Vr(p)

Calculado 10,03 V

Tensão máxima nos diodos Corrente média Io 352,5 mA nos diodos Tabela 3- Parâmetros da ponte retificadora Em relação aos quatro diodos utilizados na ponte retificadora do projeto de fonte CC, o escolhido foi o diodo 1N4007 por ele atender a todas as necessidades do projeto, tirando essa conclusão a partir da comparação entre os valores dos parâmetros calculados para o diodo que seria utilizado no projeto e os parâmetros do diodo 1N4007. Estes parâmetros importantes podem ser obtidos de seu datasheet, que são máxima corrente média (Io), máxima corrente de surto (Ifsm), máxima tensão reversa (Vr(p)), tensão em condução (Vfm), corrente de pico repetitiva (Ifrm) e potência máxima (Ptot). Estes valores e a comparação estão mostrados na Tabela 4 abaixo. Parâmetro Io Ifsm Vr(p) Vfm Ifrm Ptot

Valor datasheet Valor calculado 1,0 0,3525 30 7,77 1000 10,03 1,1 ---------30 7,77 3 ---------Tabela 4- Parâmetros do diodo 1N4007

Unidade A A V V A W

Primeiro estágio- Abaixador de tensão/ Transformador No primeiro estágio a amplitude de tensão da rede elétrica, ou seja, da tomada é reduzida por um transformador a um valor desejado para alimentar algum outro circuito, no caso, o próprio projeto. O transformador pode ser abaixador ou aumentador e é constituído por dois enrolamentos de fios enrolados em um núcleo ferromagnético chamados de bobinas, sendo a bobina conectada à rede elétrica chamada de primário do transformador e à conectada no circuito chamada de secundário do transformador. As espiras que constituem as duas bobinas têm uma relação entre si que é chamada de relação de espiras (α) e é dada pela equação abaixo: α= N1/ N2= Vp rms/ Vs rms= Is/ Ip, sendo N1 o número de espiras do primário, N2 o número de espiras do secundário, Vp a tensão rms no primário, Vs a

tensão rms no secundário, Ip a corrente no primário e Is a corrente no secundário. No transformador é necessário ter um fusível de proteção que vai proteger o circuito caso a corrente no primário ultrapasse a corrente de abertura do fusível (If), se isto acontecer ele se abre, queima, fazendo com que o circuito fique aberto neste ponto não permitindo ter circulação de corrente. Já que o fusível é determinado a partir de cálculos com dados do próprio circuito ele regula qual o máximo de corrente que vai para o projeto baseado na máxima corrente suportada pelos componentes, se passasse por estes uma corrente maior que a suportada, eles poderiam ser danificados. A corrente de abertura do fusível é dada pela seguinte fórmula: If= Ipmédia= Ismédia/ α Mas Ismédia é igual a Itmédio, então a equação acima fica conforme mostrado abaixo: If= Ipmédia= Itmédio/ α Outros parâmetros do transformador precisam ser determinados para o projeto de fonte CC completa, como tensão de pico do secundário (V2(p)), tensão eficaz no secundário (V2rms), tensão de pico no primário (V1(p)) e tensão eficaz no primário (V1rms). Começando por V2(p), ele é dado pela equação abaixo: V2(p) = Vmáx + (2 x Vfm) A tensão eficaz no secundário é dada pela seguinte fórmula: V2rms= V2(p) /2 A tensão de pico no primário é tal como mostrada abaixo: V1(p) = V1rms x , sendo V1rms a tensão eficaz vinda da própria tomada, ou seja, da rede elétrica. Todos os cálculos estão demonstrados na Figura 5 e Tabela 5, com dados do projeto.

Figura 5- Parâmetros do transformador Representação Calculado Tensão de pico no V2(p) 11,13 V secundário Tensão eficaz no V2rms 7,87 V secundário V1(p) 179,6 V Tensão de pico no primário V1rms 127 V Tensão eficaz no primário Tabela 5- Parâmetros do transformador No projeto o circuito era alimentado com 127V vindos do primário do transformador, mas este foi conectado a rede elétrica de maneira a receber 220V. Diagrama do circuito projetado O circuito projetado e posteriormente montado em um protoboard é tal como mostrado na Figura 6, tendo os valores reais dos cálculos e os valores adotados para os componentes.

Figura 6-Diagrama do circuito projetado com valores calculados

Montagem e simulação O circuito foi montado seguindo o projeto mostrado no diagrama acima, utilizando uma associação em paralelo de quatro capacitores de valores 2200µF, 1000µF e dois capacitores de 470µF para dar o valor comercial de 4140µF, e dois resistores de potência de valor 10Ω/5W em paralelo para dar o valor comercial de 5Ω. O circuito foi alimentado e para ver se os valores dos parâmetros dos componentes estavam conforme esperados assim como suas respectivas formas de onda foram utilizados um multímetro para medir as tensões rms e de pico do primário do transformador e um osciloscópio para as outras medidas, fazendo as comparações de cada estágio do projeto de fonte CC completa. Para medir a corrente nos diodos da ponte retificadora foi necessário utilizar um resistor de amostragem de valor 0,1Ω em série com um dos diodos (o que vai ser conectado ao osciloscópio por meio dos cabos), pois segundo a Lei de Ohm V= R x I, sendo R= 0,1, então V= 0,1 x I ou, de maneira análoga, I= 10 x V. Como os cabos do osciloscópio atenuam 10x, então para medir a corrente é necessário colocar no osciloscópio o acoplamento x100 e para medir tensões o acoplamento x10. Na tela do equipamento é mostrado a forma de onda da tensão no diodo específico da ponte, mas como o acoplamento é x100, os valores mostrados utilizando as ferramentas Measure e Cursor bem como a forma de onda vista são relativos a corrente nos diodos da ponte retificadora, conforme deduzido pela Lei de Ohm acima. No projeto de fonte CC completa foi testado dois funcionamentos: a plena carga e a vazio, sendo este quando é retirado a resistência de carga com o circuito desligado e feita novas medições após religar o circuito....