Instituto Federal De Educação, Ciência E Tecnologia De Minas Gerais – Campus Formiga

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

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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.

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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, retif icador 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.

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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 retif icada e filtrada.

Figura 1 - Dobrador de onda completa

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

conduz e carrega o capacitor   com a tensão de pico  e o diodo  permanece

em corte. Durante o semiciclo negativo da tensão no secundário do transformador, o diodo  deixa de conduzir e o diodo  passa a conduzir, carregando o capacitor   com a tensão de pico . 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.  =

  

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.

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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.

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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 F, a corrente de surto geralmente é muito rápida para danificar os diodos. Por esse motivo, o valor de capacitância escolhido foi de 1000 F. Durante o período de testes de bancada, foi possível medir a corrente após o capacitor. A corrente fornecida à carga corresponde a  = 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 F, é possível determinar a tensão de ripple na filtragem.  =

27,6. 10− 60.1000. 10−

 = 0,46 

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 k Ω limita o valor da corrente para aproximadamente 7,2 mA, considerando a queda no LED de 1,4 V.  =

42,43  1,4 5700

 = 7,198 

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 1k Ω foi utilizado, pois assim a corrente no Zener é de  =

 =

   

42,43  25,9 1000

 = 16,53 

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  é de 1,6 kΩ a resistência que deve ser ajustada no trimpot é de  .  = 5  =

 .

24,3   + 

24,3   + 

=5

 = 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

7,3 mA

7,198 mA

15,82 mA

16,53 mA

Corrente no LED Corrente de emissor 

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  do transistor. =

=

 

15,66. 10− 91,2. 10−

 ≅ 172

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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

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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 F 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

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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.