Trabalho 1 - Fonte CC regulada 12V - Lab Eletrônica I

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS 
Curso de Engenharia Elétrica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONSTRUÇÃO DA FONTE DE TENSÃO COM REGULADOR EM CIRUCUITO 
INTEGRADO E AS CURVAS DE SCHADE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Álvaro Augusto Ferreira Duarte 
Matheus Librelon Oliveira 
Profª: Zelia Myriam Assis Peixoto 
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ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Figura 1:Relação entre o fator de Ripple e wCRL - FONTE: Cipelli, 1986 ....................... 7 
Figura 2: Relação entre o Vc / V(PK), Rs/RL e wRLC - FONTE: Cipelli, 1986 ................ 8 
Figura 3: Relação entre a corrente de pico com a corrente média nos diodos, Rs/nRL e 
nwRLC - FONTE: Cipelli, 1986 ................................................................................................ 9 
Figura 4: Relação entre a corrente eficaz com a corrente média nos diodos, Rs/nRL e 
nwRLC - FONTE: Cipelli, 1986 .............................................................................................. 10 
Figura 5: Transformador 127V/18V x 1A .............................................................................. 12 
Figura 6: Diodo retificador ....................................................................................................... 12 
Figura 7: Capacitor eletrolítico ................................................................................................ 12 
Figura 8: Regulador de tensão ............................................................................................... 12 
Figura 9: Capacitores de poliéster metalizados .................................................................. 13 
Figura 10: LED difuso verde 5mm ......................................................................................... 13 
Figura 11: Resistor 560R ........................................................................................................ 13 
Figura 12: Fusível 6x30 - 1A ................................................................................................... 14 
Figura 13: Circuito da fonte CC regulada com retificador em ponte no Multisim 14.0 .. 14 
Figura 14: Circuito da fonte em operação com carga conectada de 12Ω no Multisim 
14.0 ............................................................................................................................................. 15 
Figura 15: Leitura do Osciloscópio no Multisim 14.0 .......................................................... 15 
Figura 16: Circuito da fonte regulada funcionando em vazio no Multisim 14.0 .............. 16 
Figura 17: Circuito da fonte regulada funcionando com carga de 12Ω no Multisim 14.0
 ..................................................................................................................................................... 16 
 
 
 
 
 
 
file:///C:/Users/alvar/Desktop/PUC%20Minas/Lab.%20Eletrônica%20I/Projeto%20fonte/Relaório%20do%20projeto%20de%20fonte%20com%20regulador%20em%20CI.docx%23_Toc40100007
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SUMÁRIO 
OBJETIVOS ................................................................................................................................ 4 
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 5 
2. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO ...................................................................................... 12 
3. RESULTADOS .................................................................................................................. 15 
4. CÁLCULO DO DISSIPADOR DE CALOR .................................................................... 18 
5. CONCLUSÃO ................................................................................................................... 19 
REFERÊNCIAS ........................................................................................................................ 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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OBJETIVOS 
 
Este projeto tem como objetivos aplicar o que foi aprendido em sala de aula 
de uma maneira prática e teórica no que diz respeito ao desenvolvimento do 
circuito elétrico de uma fonte de tensão com regulador em circuito integrado, 
bem como a análise dos sinais de entrada no secundário do transformador e 
dos sinais de entrada e saída do regulador de tensão, de maneira a produzir 
um sinal de saída o mais retificado possível. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
 
Um sinal de entrada alternado pode ser transformado em um sinal contínuo 
a partir da aplicação de diodos. Quando relacionamos esse sinal a uma tensão, 
avaliamos como uma tensão alternada sendo transformada em contínua. 
Nesse projeto será construída uma fonte de tensão usando um regulador 
em circuito integrado (CI) e as curvas de Schade. A tensão que vai alimentar o 
primeiro trafo do transformador da fonte será de 127V eficaz (alternado), e a 
saída da fonte deverá ser de 12V (contínuo). 
Para melhor aprofundar em determinados conceitos, será utilizado um 
circuito integrado do tipo LM7812, onde o 78 se relaciona a uma família ou 
categoria de componentes do mesmo tipo físico, e os dois últimos números, no 
caso 12, é o que corresponde ao valor da fonte. Outro quesito importante e 
também trabalhado são as curvas de Schade, de onde partiremos os principais 
cálculos dos componentes utilizados no circuito. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.1. Desenvolvimento – determinando os componentes 
 
1.1.1. Estabelecendo o regulador do circuito integrado 
 
De acordo comas orientações da professora para o desenvolvimento do 
projeto, será usado um regulador de série LM78XX, sendo que XX será o valor 
de tensão de saída da fonte regulada. Esse tipo de regulador pode fornecer 
tensões entre 5 e 24 volts, com corrente de 1 ampère. 
O Regulador em circuito integrado sorteado foi, portanto, LM7812, com 
configuração física de TO-220. Essa configuração consiste em três pinos, um 
de entrada (input), um de aterramento (GND) e um de saída (output), 
respectivamente. O regulador servirá para estabelecer uma saída de 12V 
contínua, com o mínimo de variações possíveis, havendo ainda filtragem pelos 
capacitores que participam da montagem. E como segurança, há um protetor 
dentro do próprio circuito integrado que atua em curtos circuitos. 
 
1.1.2. Datasheet circuito integrado 
 
Datasheets são folhas de dados fornecidos pelos fabricantes. O Datasheet 
do regulador fornece parâmetros sobre o seu funcionamento e alguns valores 
importantes para o desenvolvimento do projeto: 
 
• Máxima tensão de entrada: 19V. 
• Rejeição de ripple ou ondulação maior que 50dB dB: 72dB. 
• Resistência de saída: 18mΩ. 
• Corrente consumida: 8mA. 
 
No projeto, recomenda-se considerar 3V de Drop-Out, ou seja, a tensão de 
entrada no regulador deve ser ao menos 3V maior do que a tensão de saída, 
garantindo uma melhor regulação. Também é recomendado pelo fabricante do 
Regulador de Tensão que seja conectado em paralelo com o regulador, um 
capacitor de 0,1µF na saída e um capacitor de 0,22µF na entrada (Nota 2 do 
datasheet da National Semiconductor). 
 
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1.2. Cálculos adotados no projeto 
 
• Seguindo as orientações no projeto, recomenda-se usar o valor de 3V 
volts para o drop-out, então: 
 
 Sendo ΔV=Vi-Vo, ΔV=3V e Vo=12V ; 3=Vi-12 ; Vi=15V 
 
• Sabendo que a relação RS/RL a ser adotada será 10%, calculou-se RL 
pela expressão RL=VC/Ii, Ii é a soma da corrente de saída Io e a corrente 
própria do regulador, mas como a segunda é muito pequena, considera-
se Ii=Io. 
 
Então sendo Vc=15V, RL=15/1 ; RL=15Ω 
 
RS/RL=10%; RS=0,1*RL ; RS=0,1*15 ; RS=1,5 Ω 
 
• Em seguida, para calcular os valores dos componentes da fonte não 
regulada, foram usadas as Curvas de Schade abaixo para a relação 
entre o fator ripplee ωCRL.: 
 
Figura 1:Relação entre o fator de Ripple e wCRL - FONTE: Cipelli, 1986 
8 
 
Então, pelas curvas, para γ = 5%, ωCR = 15 ; sendo ω = 2πf = 377, 
temos a equação 
 
C=15/ ωRL ; C=15/377*15 ; C=2653µF 
 
Com isso, foi escolhido um capacitor de 3300µF, por ser o valor comercial 
superior mais próximo do valor calculado. 
 
• O próximo passo foi calcular o valor de V(PK) através das curvas abaixo, 
que mostra a relação entre VC/V(PK), RS/RL e ωCRL: 
 
 
Figura 2: Relação entre o Vc / V(PK), Rs/RL e wRLC - FONTE: Cipelli, 1986 
Usando C=3300µF, que é o valor do capacitor adotado, temos que 
ωCRL=18,66. Então com esse valor, pela tabela, VC/V(PK)=94% 
VC/V(PK)=0,94; como anteriormente falado, consideramos Vc=Vi, então, 
Vi/V(PK)=0,94 
15/0,94= V(PK); V(PK)=15,96V 
 
 
9 
 
• Com V(PK) obtido, calculamos a tensão eficaz no secundário do 
transformador (VS(RMS)) usando a equação: 
VS(RMS)=V(PK)+1,6 /√2, sendo o valor de 1,6 usado para compensar a queda de 
tensão nos diodos. Então, VS(RMS)=15,96+1,6 /√2; VS(RMS)=12,42V 
Sendo a tensão eficaz na saída do transformador 12,42V, a tensão máxima 
será 12,42*√2=17,56V, com isso, para o projeto foi escolhido um transformador 
com saída de 18V 
 
• O próximo passo foi calcular IF(RMS) (corrente eficaz direta no diodo) e 
IF(PK) (valor de pico repetitivo da corrente direta no diodo), usando as 
tabelas com relações de IF(RMS) e IF(PK) com RS/2RL e 2ωCRL, mostrada 
abaixo: 
 
 
Figura 3: Relação entre a corrente de pico com a corrente média nos diodos, Rs/nRL e nwRLC 
- FONTE: Cipelli, 1986 
10 
 
 
Figura 4: Relação entre a corrente eficaz com a corrente média nos diodos, Rs/nRL e nwRLC - 
FONTE: Cipelli, 1986 
Pelas curvas, usando 2ωCRL como 2*377*3300*10-6*15=37,32, vimos 
que: 
IF(RMS)/IF(AV)=20 
IF(PK)/IF(AV)=3,8 
 
Como em cada diodo passa uma corrente de 0,5A, pois IF(AV)=Ii/n, sendo 
n=2 pois estamos trabalhando com um retificador de onda completa, temos 
que: 
IF(RMS)=1,9A 
IF(PK)=10A 
 
Com os resultados anteriores é possível calcular o valor eficaz da 
corrente no secundário do transformador (IS(RMS)) e a corrente de surto ou de 
pico não repetitiva nos diodos (ISURTO)) com as equações: 
 
IS(RMS)=IF(RMS)* √2; IS(RMS)= 1,9* √2; IS(RMS)=2,69A 
ISURTO=V(PK)/RS; ISURTO=15,96/1,5; ISURTO=10,64A 
 
11 
 
Por ultimo, a tensão de pico inversa (PIV) nos diz qual diodo é mais 
adequado para a montagem do projeto, o valor de PIV é igual a V(PK) para 
retificadores em ponte, mas o diodo deverá ser especificado para um valor 
maior que esse, então se adota um fator de segurança igual a 2 para fontes de 
baixa tensão. 
 
PIV=2*V(PK); PIV=31,92V 
 
Então, como o diodo estará submetido a uma PIV máxima de 31,92V, foi 
escolhido o diodo 1N4001, já que ele suporta uma tensão de até 50V e 
corrente de 1A. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO 
Com todos os valores calculados anteriormente, passamos a montar a 
simulação do protótipo na plataforma multisim da empresa National 
InstrumentsTM. 
 Os componentes usados foram: 
• Transformador 18+18v x 1A Bivolt: 
▪ Tensões de entrada 127/220V 
▪ Tensões de saída 18+18V 
▪ Potência máxima suportada 18 W 
▪ Frequência 60 Hz 
 
 
• 4 diodos Fairchild 1N4001: 
 
Figura 6: Diodo retificador 
• 1 capacitor eletrolítico Hitano 3300µF: 
 
Figura 7: Capacitor eletrolítico 
 
• 1 Circuito integrado LM7812CT da National Semiconductors: 
 
Figura 8: Regulador de tensão 
 
Figura 5: Transformador 127V/18V x 1A 
13 
 
• 2 capacitores de poliéster metalizado: 
Um de 220nF e um de 100nF (recomendado pelo fabricante do 
regulador, pois assim o regulador opera com os parâmetros 
listados no datasheet): 
 
Figura 9: Capacitores de poliéster metalizados 
 
• 1 LED difuso 5mm verde (será usado como um indicativo que a fonte 
está ligada): 
 
Figura 10: LED difuso verde 5mm 
 
 
• 1 Resistor de filme de carbono de 560R (560Ω), de 0,25W e tolerância 
de 5% que será ligado em serie como LED como proteção do mesmo. (A 
distribuição de cores do resistor não é por acaso, a partir dela é possível 
saber o valor de resistência e a tolerância do resistor. No caso do 
resistor abaixo se lê as cores com lado com mais faixas para a esquerda 
sendo as duas primeiras faixas significando 5 e 6 respectivamente, a 
faixa marrom representa um fator multiplicador de 10Ω e a faixa amarela 
ao final representa 5% de tolerância do resistor). 
 
 
Figura 11: Resistor 560R 
14 
 
• Fusível de Vidro 6x30 - 1A 250V (pelo datasheet do regulador, a 
corrente de saída não deve ultrapassar 1A, então coloca-se o fusível 
para proteger o componente) 
 
Figura 12: Fusível 6x30 - 1A 
Com os componentes necessários listados, foi montada a simulação do 
projeto. Como mostra a imagem abaixo: 
 
 
Figura 13: Circuito da fonte CC regulada com retificador em ponte no Multisim 14.0 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
3. RESULTADOS 
Após definir os valores teóricos para os componentes e montar a simulação 
do protótipo, foram feitas as medições dos valores na simulação para analisar 
se o circuito foi bem dimensionado para o regulador. A partir da imagem 
abaixo, observa-se: 
 
Figura 14: Circuito da fonte em operação com carga conectada de 12Ω no Multisim 14.0 
• Pelo osciloscópio, na entrada do regulador há um sinal DC com ripple 
 
Figura 15: Leitura do Osciloscópio no Multisim 14.0 
16 
 
 
γ%=100%*VEFICAZ/VMEDIO (sendo VMEDIO medido pelo voltímetro (sinal DC)) ; 
VEFICAZ=VP-P/2√3; VEFICAZ=(15,920-14,274)/2√3 (sendo 15,920V e 14,274V 
valores medidos pelo osciloscópio no canal A) 
VEFICAZ=0,475V 
• Com isso calcula-se o fator ripple experimental antes do regulador 
 
γ%=100%*0,4752/15,112; γ%=3,14%, que é um valor adequado abaixo de 5% 
 
• A tensão de saída sem carga é de 11,912V 
 
Figura 16: Circuito da fonte regulada funcionando em vazio no Multisim 14.0 
• A tensão de saída com uma carga de 12Ω (para funcionar com corrente 
de 1A) é de 11,709V 
 
Figura 17: Circuito da fonte regulada funcionando com carga de 12Ω no Multisim 14.0 
• A corrente na carga é 0,976A 
• A tensão DC na entrada do regulador VC(DC) é 15,112V 
17 
 
• A tensão eficaz na entrada do regulador VV(RMS) é 15,587V 
 
Então o fator de ripple experimental depois do regulador é: 
 
γ%=100%*VEFICAZ/VMEDIO 
 
VEFICAZ=(11,712-11,707)/2√3 (sendo 11,712V e 11,707V os valores medidos no 
osciloscópio no canal B) 
 
VEFICAZ=0,001443V 
 
γ%=100%*0,001443/11,709; γ%=0,01% 
 
Isso significa que o sistema está muito bem dimensionado para o 
regulador escolhido. Mas como isso foi uma simulação o valor se aproxima de 
zero. Na prática, esse valor talvez fosse maior. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
18 
 
4. CÁLCULO DO DISSIPADOR DE CALOR 
 
Uma vez que o drop-out de tensão no circuito integrado do regulador de 
tensão foi medido em cerca de 3,58V em operação com carga nominal (12V e 
1A), a potência dissipada pelo mesmo será essa diferença de tensão vezes a 
corrente que circula pelo circuito integrado. Desta forma, teremos uma potência 
dissipada de cerca de 3,6W. Uma vez que o presente trabalho somente 
contempla a parte de simulação, este dissipador não é necessário, porém, para 
trabalhos práticos futuros, um dissipador é indispensável, já que temperaturas 
elevadas nos semicondutores do regulador de tensão podem fazer com que o 
mesmo não funcione corretamente, o que prejudicaria a eficiência da fonte, ou 
até mesmo se queime, tornando o projeto inutilizável. 
Para se dimensionar o dissipador ideal, deve-se saber características 
intrínsecas do regulador de tensão fornecidas pelo datasheet do fabricante 
como a Resistência térmica do circuito integrado. 
• RӨj-c = 4oC/W – A resistência térmica junção-invólucro; 
• RӨc-s = 0,2oC/W – A resistência térmica invólucro-dissipador dada pela 
pastatérmica DeepCool Z3; 
O regulador LM7812CT possuirá um PD máximo de 15W e uma temperatura 
de operação máxima (TJ) de 125oC (Dados fornecidos pelo datasheet da 
National Semiconductor), a resistência térmica do dissipador, para uma 
temperatura ambiente (TA) de 25oC deverá ser: 
 
RӨs-a = (TJ – TA) / PD - RӨj-c - RӨc-s 
RӨs-a = 6,7 – 4,0 – 0,2 = 2,5oC/W; 
 
Essa então deverá ser a resistência térmica do dissipador utilizado. 
 
 
 
 
 
 
19 
 
5. CONCLUSÃO 
Em conclusão, este projeto serviu para demonstrar a importância de 
conhecer os componentes eletrônicos e suas funções. 
Ele também serviu para nos ensinar sobre as especificações dos 
componentes como diodos, capacitores e resistores e como a escolha correta 
dos mesmos nos permite transformar uma tensão alternada em uma tensão 
contínua, as variações dessa condição e o comportamento do componente são 
os assuntos mais abordados aqui. 
O projeto também permitiu que usássemos o conhecimento adquirido nas 
aulas de uma maneira prática, estabelecendo um vínculo com o assunto 
trabalhado na teoria e na parte prática. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
O. H. Schade, Proceedings of the IRE, vol. 31, p.356, 1943. 
 
A.M.V. Cipelli e W.J. Sandrini, Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos 
Eletrônicos, Ed. Érica, pág. 46 a 130, 13a. Ed., 1986. 
 
Willians, Arthur B., Designer’s Handbook of Integrated Circuits, McGraw-Hill, 
USA,1984 
 
Transformador 127V-18V x 1A 
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1299168742-transformador-1818v-1a-
trafo-bivolt-
_JM?matt_tool=82322591&matt_word&gclid=CjwKCAjw4871BRAjEiwAbxXi21NNU
XxZjbP488GU_QAUXslUcGEv3Q22PWAKZO8Fu6Z8KAw2T0fL0BoCxUwQAvD_B
wE&quantity=1 
Acesso em Maio de 2020 
 
Diodos retificadores 
<https://datasheet4u.com/datasheet-pdf/FairchildSemiconductor/1N4001/pdf.php? 
id=578648> 
Acesso em Maio de 2020 
 
Datasheet Capacitor Eletrolítico 
Disponível em <https://www.hitano.com.tw/wp-content/uploads/doc/ 
ECR_20160615.pdf> 
Acesso em Maio de 2020 
 
Datasheet LM 7812 
Disponível em <https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/9042/NSC/ 
LM7812CT.html> 
Acesso em Maio de 2020 
 
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1299168742-transformador-1818v-1a-trafo-bivolt-_JM?matt_tool=82322591&matt_word&gclid=CjwKCAjw4871BRAjEiwAbxXi21NNUXxZjbP488GU_QAUXslUcGEv3Q22PWAKZO8Fu6Z8KAw2T0fL0BoCxUwQAvD_BwE&quantity=1
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1299168742-transformador-1818v-1a-trafo-bivolt-_JM?matt_tool=82322591&matt_word&gclid=CjwKCAjw4871BRAjEiwAbxXi21NNUXxZjbP488GU_QAUXslUcGEv3Q22PWAKZO8Fu6Z8KAw2T0fL0BoCxUwQAvD_BwE&quantity=1
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1299168742-transformador-1818v-1a-trafo-bivolt-_JM?matt_tool=82322591&matt_word&gclid=CjwKCAjw4871BRAjEiwAbxXi21NNUXxZjbP488GU_QAUXslUcGEv3Q22PWAKZO8Fu6Z8KAw2T0fL0BoCxUwQAvD_BwE&quantity=1
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1299168742-transformador-1818v-1a-trafo-bivolt-_JM?matt_tool=82322591&matt_word&gclid=CjwKCAjw4871BRAjEiwAbxXi21NNUXxZjbP488GU_QAUXslUcGEv3Q22PWAKZO8Fu6Z8KAw2T0fL0BoCxUwQAvD_BwE&quantity=1
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