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FFoonnttee ddee AAlliimmeennttaaççããoo UU nn ii vv ee rr ss ii dd aa dd ee FF ee dd ee rr aa ll dd oo EE ss pp íí rr ii tt oo SS aa nn tt oo Departamento de Engenharia Elétrica Projeto Eletrônica Básica I Componentes Gabriel Rossoni Gustavo C. Margon Paulo Roberto S. Vargas Raphael R. Haddad Rafael L. Silva FFoonnttee ddee AAlliimmeennttaaççããoo UU nn ii vv ee rr ss ii dd aa dd ee FF ee dd ee rr aa ll dd oo EE ss pp íí rr ii tt oo SS aa nn tt oo Departamento de Engenharia Elétrica Projeto Eletrônica Básica I Fonte de Alimentação 1. Introdução: O objetivo do projeto é construir uma fonte CC, que possa alimentar cargas de três formas diferentes: Æ Com uma tensão contínua variável de 5 a 15V, com proteção de curto para 1A. Æ Com uma tensão contínua de 5V e corrente máxima de 2A, com proteção de sobrecorrente. Æ Com uma tensão contínua simétrica de –15V / 0V / +15V sob corrente de 1A. Vamos utilizar os conhecimentos adquiridos na disciplina de Eletrônica Básica I para nos auxilliar durante a execução do projeto. O primeiro passo é definir e construir os circuitos que alimentarão as três fontes. Para as fontes 1 e 2, utilizaremos um circuito retificador em ponte cuja entrada será a tensão do secundário do TRAFO. Já a fonte 3, aproveitando o mesmo TRAFO, construiremos um circuito retificador com tomada central, Center Tape. A seguir, começamos a construir cada fonte, uma em cada placa de circuito impresso, a fim de facilitar a manutenção caso ocorra algum defeito. Após a construção, e feitos os devidos teste comprovando a eficiência de cada fonte, partimos para a fase de acabamento (estética). Dentro do gabinete(carcaça) da multi-fonte, cada fonte será colocada de forma que seja fácil a sua remoção para manutenção e a sua recolocação em funcionamento. O vista frontal da multi-fonte pode ser vista na figura mostrada na página seguinte: Circuitos de alimentação das fontes 2. Escolha do Transformador: Para uma tensão de saída máxima das fontes de 15V, escolhemos um TRAFO de tensão nominal de 17V (rms) no secundário. Para suprir as três fontes: Fonte variável 5-15V(1A), Fonte fixa 5V(2A) e Fonte simétrica –15 - +15V(1A), escolhemos como corrente nominal do TRAFO 5A. DADOS DO TRAFO: Æ TRAFO WM - Tensão Nominal: 110/17V – 5 A Æ Tomada Central (Para o retificador Center Tape da fonte simétrica) 3. Circuitos Retificadores: 3.1 - Retificador em ponte de Onda Completa: Com objetivo de retificar o sinal senoidal de entrada, utilizando quatro diodos montados como na figura abaixo. Os capacitores têm a função de filtrar o sinal de saída da ponte a fim de torná-lo o mais constante possível. CÁLCULOS DOS DIODOS: Tensão máxima reversa: 26,5V Corrente máxima : IDmax = ILmax (1+2Π*(Vmax/(2*ΔV))1/2) = 30.09A Diodos escolhidos: Æ 4 diodos 1N 4001( disponíveis para compra 1N 4007) CÁLCULO DO CAPACITOR: C= ___1___( 2*Vm -1) 4*RL*f ∆V onde: C – Capacitância RL – Carga f – Freqüência da rede Vm – Tensão de pico ∆V – Fator de Riple Como a rede fornece 127V, teremos no secundário do TRAFO um valor de tensão maior que 17V. Os valores medidos mostram uma tensão de cerca de 19,0 V(rms).Adotando como Fator De Riple 2V, temos: Vm = 26,5V ∆V = 2,65V f = 60 Hz RL= 26,5Ω C= 2987.42uF Deste modo, escolhemos um capacitor de 4.700uF (valor comercial), que atende às condições de funcionamento do circuito. Capacitor escolhido: Æ Eletrolítico 4.700uF – 35V 3.2 - Simulação: Forma de onda obtida na saída do retificador em ponte Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms V(C1:2) 0V 20V 40V 3.3 - Resultado Medido em Laboratório: Utilizamos para medição das formas de onda o multímetro MINIPA modelo ET- 1502 e o ociloscópio BK Precision 20MHz modelo 2120. A forma de onda medida é semelhante à obtida na simulação. A tensão retificada medida está em torno de 26.3V. INSERIR AQUI Como utilizamos uma capacitância maior para o capacitor, temos o Fator de Riple diminuído. No ocisloscópio não foi possível medi-lo, então utilizamos o multímetro e encontramos um FR = 1,5mV. 3.4 - Retificador Center Tape de Onda Completa: Neste circuito utilizamos um transformador com um primário e dois secundários iguais ligados em série, com o mesmo sentido dos enrolamentos, sendo o ponto de ligação destes dois secundário o Center Tape. Para cada ciclo da tensão primária têm-se tensões secundárias com um sentido levando um dos diodos à condução e o outro ao corte. E assim tem-se circulação de corrente na carga com o mesmo sentido, devido aos dois enrolamentos secundários alternadamente. CÁLCULOS DOS DIODOS: Tensão máxima reversa: 53 V Corrente máxima : IDmax=ILmax(1+2Π*(Vmax/(2*ΔV))1/2) = 30.09A Æ 4 diodos 1N 4001( disponíveis para compra 1N 4007) CAPACITORES: O cálculo é similar ao da ponte retificadora já calculada. Foram escolhidos dois capacitores de 4.700uF, um para a tomada positiva e outro para a negativa. Capacitores escolhidos: Æ 2 Eletrolíticos 4.700uF – 35V 3.5 Simulação: Forma de onda obtida na saída do retificador Center Tape: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms V(C2:1) V(C1:2) -40V 0V 40V 3.5 - Resultado Medido em Laboratório: Utilizamos para medição das formas de onda o multímetro MINIPA modelo ET- 1502 e o ociloscópio BK Precision 20MHz modelo 2120. A forma de onda medida é semelhante à obtida na simulação. A tensão retificada medida está em torno de +26.3V e –26.3V. Como utilizamos uma capacitância maior do que a calculada para o capacitor, temos o Fator de Riple diminuído. No ocisloscópio não foi possível medi-lo, então utilizamos o multímetro e encontramos um FR = 1,3mV Tanto para saída positiva quanto para a negativa. 3.6 - Conclusão: À partir dos dados medidos em laboratórios, concluímos que os circuitos de alimentação das fontes atenderão aos nossos objetivos, o que pôde ser comprovado mais adiante através do funcionamento das fontes. A especificação inicial para os diodos era 1N 4001. Como só foi encontrado para venda o 1N 4007, optamos por usar este, pois também atende às nossas necessidades. 4. Circuito regulador variável 5-15 V: 4.1 - Funcionamento: Na figura abaixo temos o circuito utilizado: Começamos explicando a função que cada elemento exerce: Æ Zener: é utilizado como elemento de referência de tensão. Æ Q5: é utilizado como elemento de controle. Ele controla a tensão de saída à partir de um sinal de correção enviado a ele por intermédio de um circuito comparador (Q2). Utilizamos uma configuração Darlington a fim de obter um elevado ganho de corrente. Æ Q2: é um comparador DC, cuja função é comparar as tensões de referência com a outra enviada da saída. Essa tensão de saída provém de um divisor de tensão em R3, R4, R5. Com a possibilidade de variarmos R4, obtemos valores diferentes para a corrente na base de Q2, consequentemente na corrente de coletor de Q2,que por sua vez atua sobre Q1, controlando o Vce1, e assim obtemos diferentes níveis de tensão na saída. Æ Circuito de Proteção contra curto: caso ocorra um curto na saída da fonte, a corrente de carga aumentará, provocando aumento da queda de tensão em R6. Ultrapassado o valor de Vbe4 de início de condução, Q4 entra em saturação, reduzindo o valor de Vce4 para aproximadamente 0V, o que leva Q3 à saturação. Quando Vce3 atingir o valor predeterminado, ocorre a limitação da corrente Ie1 e consequentemente de IL. 4.2 - Escolha dos Componentes: Utilizamos um programa escrito em Matlab para facilitar os cálculos: __________________________________________________________________ function basica Vimax = 26.17; Vmed = 24.85; Vimin = 23.54; Vlmax = 15; Vlmin = 5; Ilmax = 1; disp('_______________________________________________________') disp('T1 darlington') Bvce01 = Vimax - Vlmin Icmax1 = 1 Pcmax1 = Bvce01*Icmax1 disp('escolha o beta minimo') beta = input ('beta : '); disp('_______________________________________________________ ') disp('Zener escolhido : BZX75/C3V6') Pzmax = 0.4; Vz = 3.6; Izmin = 0.01; Izmax = 0.0851; Izteste = ((Bvce01-1.2)/(Vimin-Vlmax-1.4))*(Izmin + Ilmax/beta) if Izteste >= Izmax disp('valor invalido - troque o Zener') else disp('entre com Iznovo - cerca de 10mA maior para efeito de cálculo') Iznovo = input ('Iznovo : '); disp('_______________________________________________________') disp('Escolha de T2') Bvce02 = Vlmax+1.4-Vz Icmax2 = Izmax Pcmax2 = Bvce02*Iznovo disp('_______________________________________________________') disp('Calculo de R1') R11 = (Bvce01-1.2)/Iznovo R12 = (Vimin - Vlmax - 1.4)/(Izmin + Ilmax/beta) disp('Entre com o valor de R11<R1<R12 comercial') R1 = input ('R1 : '); PDR1 = ((Bvce01-1.2)^2)/R1 disp('_______________________________________________________') disp('Calculo de R2') R21 = ((Vlmax-Vz)*R1)/(R1*Iznovo-(Bvce01-1.2)) disp('Entre com valor comercial R2>R21') R2 = input ('R2 : '); PDR2 = ((Vlmax-Vz)^2)/R2 I3min = (((Vimin-Vlmax-1.4)/R1)-Icmax1/beta)/10; disp('Calculo de R5') R51 = (Vz + 0.6)/I3min disp('Escolha o valor comercial de R5<R51') R5 = input ('R5 : '); R41 = (R5*(Vlmax-Vlmin)/(Vz+0.6)) disp('Escolha o valor comercial de R4>R41') R4 = input ('R4 : '); R31 = ((Vlmin*R5)/(Vz+0.6) - R5) disp('Escolha o valor comercial de R3<R31') R3 = input ('R3 : '); Imax = (Vlmax - Vz + 0.6)/(R3+R4) PDR3 = ((Vlmax - (Vz + 0.6))^2)/R3 PDR4 = R4*(Imax^2) PDR5 = ((Vz + 0.6)^2)/R5 disp('escolha dos transistores 3 e 4') Ie3max = Ilmax/beta; disp('transistores escolhidos') disp('T3 = 2N4258 PNP') disp('T4 = 2N4274 NPN') disp('_____________________________________________________________') disp('calculo de R6') R61 = 0.5/Ilmax disp('escolha o valor de R6') R6 = input(' R6 : '); PDR6 = R6*(Ilmax^2) end; _________________________________________________________________________ DADOS DE SAÍDA: Zener: BZX75/C3V6 R1= 470Ω PDR1= 0.8479W R2= 3k3Ω PDR2= 0.0394W R3= 330 PDR3= 0.3535W R4= 8k2Ω PDR4= 0.0162W R5= 2k7Ω PDR5= 0.0065W R6= 0.5Ω PDR6= 0.5W T1: Bvce01 = 21.1630V Icmax1 = 1A Pcmax1 = 21.1630W T2: Bvce02 = 12.8000V Icmax2 = 0.0851A Pcmax2 = 0.6400W O dimensionamento de T3 e T4 por potência máxima e por tensão de ruptura torna-se desnecessário, sendo feito apenas pela corrente de emissor máxima. O Transistor T1(Darlington) precisará de um dissipador. O dimensionamento é feito como segue abaixo: • Verificação da máxima potência dissipada permissível para o dispositivo semicondutor. • Verificar a máxima temperatura ambiente permitida sem o uso de dissipador e a temperatura ambiente onde ficará a montagem. • Verificar a potência dissipada pelo dispositivo na montagem. • Calcular a resistência térmica do dissipador necessário. • Determinar a área do dissipador através do uso de curvas dos fabricantes. A seguinte equação é utilizada: θjmax= θa + Pdmax * (Rthjc +Rthca) onde: θjmax= máxima temperatura da junção, dado de manual. θa =temperatura ambiente. Pdmax= máxima dissipação de potência na junção, dado de manual. Rthjc = resistência térmica encapsulamento fornecida pelo fabricante. Rthca = resistência térmica encapsulamento meio ambiente, fornecida pelo fabricante. O dissipador será escolhido de acordo com a disponibilidade e de modo a permitir o funcionamento correto do circuito. 4.3 - Lista de Componentes: Os componentes foram escolhidos de acordo com a disponibilidade do mercado: • R1= 470Ω/1W • R2= 3k3Ω/(1/8)W • R3= Trimpot 2k2Ω/0.5W • R4= Potenciômetro 15kΩ/(1/8)W • R5= Trimpot 10kΩ/(1/8)W • R6= Paralelo de 1Ω/1W com 1.2Ω/1W. • T1 = Darlington – Tip 122 • T2 = BC 337 • T3 = BC 558 • T4 = BC 548 • Zener = BZX75/C3V6 • Dissipador = IC801 – TUC77616 • 2 Conectores de 2 saídas • 1 Conector de 3 saídas 4.4 - Simulação: As simulações foram feitas no Pspice. • Potenciômetro ajustado para a tensão máxima de saída: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms V(R4:1) 0V 10V 20V • Potenciômetro ajustado para a tensão mínima de saída: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms V(R4:1) 0V 4.0V 8.0V • Corrente com curto circuito na carga: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms -I(R8) 0A 0.5A 1.0A 1.5A • Corrente de carga para alimentação de 5V e carga 1k5Ω: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms -I(R8) 0A 2.0mA 4.0mA • Corrente de carga para alimentação de15V e carga 1k5Ω: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms -I(R8) 0A 4mA 8mA 12mA 4.5 - Resultados Medidos em laboratório: Utilizamos o multímetro da MINIPA modelo ET- 1502 para medição das tensões e correntes. Assim como previsto na simulação, obtemos as seguintes medidas: • Vlmax = 15,01 V • Vlmin = 4,99 V • Corrente de curto circuito = 1,04 A • Com carga: R= 1,515KΩ Para V=14,98V IL= 9,94mA Para V= 4,95V IL = 3.22mA 4.6 - Conclusão: Todos os valores medidos em simulação, também foram medidos em laboratório, e os resultados obtidos foram muito satisfatórios, visto que o erro encontrado foi muito pequeno. Esses erros acontecem pois utilizamos na prática componentes reais. • Erro tensão máxima: (15-15,01)/15= -0.067% • Erro tensão mínima: (5-4,99)/5= 0.2% • Erro corrente de curto: (1,02-1,04)/1,02= -0.01% Para a carga de 1k5Ω temos: • Erro corrente para tensão máxima: (10m-9,94m)/10m= 0.6% • Erro corrente para tensão mínima: (3,30m-3,22m)/3,30m= 2.42% Desta forma, o nosso circuito conseguiu atingir o objetivo inicial de forma satisfatória. 5. Circuito regulador de 5V sob 2A : A figura abaixo nos mostra o circuito utilizado: 5.1 - Funcionamento: Vamos explicar separadamente os pontos chave do circuito: Æ Regulador: Utilizamos o circuito regulador com os componentes sugeridos pelo fabricante do uUA 7805C, restando definir os elementos de proteção e do reforçador.Æ Reforçador de Corrente: É necessário calcular o valor da resistência necessária para que o transistor entre em condução e drene 1A, deixando 1A para o regulador, resultando numa corrente total de 2A. A tensão Vbe que será suficiente para colocar o transistor (Q5) em saturação está em torno de 0,6V. Uma corrente de 1A sobre um resistor de 0,6Ω provocará a tensão Vbe necessária. A potência do resistor deve ser superior a 0,6W. O transistor a ser escolhido dever ser capaz de suportar uma corrente de 1A e tensão de 15V. Æ Proteção contra Curto-Circuito: O principal objetivo é proteger o transistor reforçador de corrente quando excesso de corrente circular por ele. A corrente será desviada para o regulador, que desarmará termicamente. Deste, ele limita a corrente até um valor determinado. Para o nosso circuito, deveremos ter 1A passando pelo regulador e 1A passando pelo reforçador. No caso limite, quando a corrente é de 2A, a proteção ativa o transistor (Q6), drenando a corrente para o regulador. Ao circular uma alta no regulador, temos o aumento de sua temperatura, e este desarma (proteção térmica), cortando a corrente do circuito. Um resistor proporcionará a queda de tensão necessária para ativação do transistor (Q6). Como a corrente máxima que passa pela proteção é 1A, basta um resistor de 0,6Ω, para colocar o transistor em saturação. A potência do resistor deve ser superior a 0,6W. 5.2 - Componentes Escolhidos: • 1 regulador uUA 7805C • 2 diodos 1N4007 • 4 diodos 5004 • 2 transistores TIP 42 • 2 Resistores de 1,5Ω-10W • 1 capacitor de 0,33u • 1 capacitor de 1,1uF 5.3 - Simulação: Tensão de saída: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms V(D6:2) 0V 2.0V 4.0V 6.0V Corrente para carga mínima: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms -I(R5) 0A 1.0A 2.0A 3.0A 5.4 - Resultados Medidos em Laboratório: Æ Tensão de Saída: 4,91V Æ Corrente de Curto: 1,88 A Æ Para uma carga de 3,2Ω Corrente grampeada: 1,44 A Para o teste de curto, tivemos a uma redução de corrente de 1,88A a 0,94A durante um tempo de 7minutos. A carga que deveria ser utilizada para grampear na saída uma corrente de 1,88 A deveria ser de 2,8Ω. Como o valor disponível era de 3,2Ω, tivemos que utilizá-lo, obtendo um resultado satisfatório. 5.5 - Conclusão: O primeiro problema encontrado na montagem deste circuito foi por que a tensão de alimentação do retificador ponte era de 26,5V e o regulador uUA 7805C suporta uma tensão de entrada de 25V. A solução encontrada foi colocarmos 4 diodo 5004 em série na entrada do circuito, a fim de provocar uma queda de tensão de cerca de 2V. Assim a medida em laboratório no mostra uma tensão na entrada do regulador de cerca de 24,5V. Outra dificuldade foi na escolha do resistor de polarização do transistor de proteção de sobre- corrente. Após teste feitos, o melhor resultado obtido foi com o resistor de 1,5Ω. O objetivo inicial era de obtermos uma corrente de curto inicial de 2 A, que diminuísse com o desarme do regulador. O circuito construído nos possibilita uma corrente máxima de 1,88 A. Provavelmente o resultado desejável não foi alcançado devido à polarização do transistor transistor de proteção de sobre-corrente. Æ Erro corrente curto circuito: (2-1,88)/2 = 6% Æ Erro na tensão de saída do regulador = 1,8% Os resultados acima nos permitem concluir que o nosso circuito está trabalhando de forma razoável em relação aos objetivos iniciais. 6. Circuito regulador simétrico -15 / 0 / + 15: A figura abaixo nos mostra o circuito utilizado: 6.1 - Funcionamento: Æ Regulador: Utilizamos o circuito regulador com os componentes sugeridos pelo fabricante dos uUA 7815C e uUA 7915C, restando definir os elementos de proteção e do reforçador. O uUA 7815C é responsável pela saída positiva de 15V. Já o uUA 7915C é responsável pela saída de –15V. Æ Diodos: São utilizados para proteção dos reguladores. OBS: Para obtermos o equivalente de dois capacitores um de 1uF e outro de 0,1uF, utilizamos dois capacitores em série de 2,2uF. 6.2 - Componentes Utilizados: • 1 Regulador uUA 7815C • 1 Regulador uUA 7915C • 4 diodos 1N4007 • 1 Capacitor 0,33uF • 3 Capacitores 2,2uF • 1 Capacitor 0,1uF 6.3 - Simulação: Tensão de saída simétrica: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms V(D6:1) V(D5:2) -20V 0V 20V 6.4 - Resultados Medidos em Laboratório: O mesmo multímetro da Minipa foi utilizado para a medição. • V+= 15,2V • V- = -14,8V 6.5 - Conclusão: Resultado satisfatório, visto que o erro obtido entre a simulação e a prática é pequeno. A fonte funcionará como previsto no projeto. • Erro tensão positiva: (15-15,2)/15,2= -1,33% • Erro tensão negativa: (-15-(-14.8))/(-15)= 1,33% 7. Bibliografia: • Denti, José Apostila de básica 1 • Philips, Datahandbook Semiconductors (Electronic components and materials) – Low-frequency power transistor and modules • Secra/Smith – Microeletrônica, 4ª Edição, Editora Makron Books • Texas Instruments, Databook • Maxim, Databook Circuitos de alimentação das fontes Forma de onda obtida na saída do retificador em ponte Utilizamos para medição das formas de onda o multímetro MINIPA modelo ET- 1502 e o ociloscópio BK Precision 20MHz modelo 2120. A forma de onda medida é semelhante à obtida na simulação. A tensão retificada medida está em torno de 26.3V. INSERIR AQUI Como utilizamos uma capacitância maior para o capacitor, temos o Fator de Riple diminuído. No ocisloscópio não foi possível medi-lo, então utilizamos o multímetro e encontramos um FR = 1,5mV. CAPACITORES: O cálculo é similar ao da ponte retificadora já calculada. Foram escolhidos dois capacitores de 4.700uF, um para a tomada positiva e outro para a negativa. Forma de onda obtida na saída do retificador Center Tape: Utilizamos para medição das formas de onda o multímetro MINIPA modelo ET- 1502 e o ociloscópio BK Precision 20MHz modelo 2120.
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