CEFET/SC - Centro Federal de Educação
Tecnológica/Santa Catarina
Projeto Integrador:
Fonte Regulada 0 a 12V – 1 A
com proteção de sobre-corrente
Equipe:
Edimar Apolinário
Egon Kirchof
Jhony Cunha
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Os dois semiciclos são unidos e circulam no mesmo sentido pelo circuito da carga. No final desta etapa, temos uma onda de valor variável mas sem mudança de ...
Tipologia: Exercícios
2022
Compartilhado em 07/11/2022
usuário desconhecido 🇧🇷
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CEFET/SC - Centro Federal de Educação
Tecnológica/Santa Catarina
Projeto Integrador:
Fonte Regulada 0 a 12V – 1 A
com proteção de sobre-corrente
Equipe:
Edimar Apolinário Egon Kirchof Jhony Cunha
Índice
1. Título ( convencimento do leitor )
Fonte de Alimentação com Regulagem 0 a 12 VDC, 1A , com proteção e alarme ( sonoro e visual ) contra curto e sobre-corrente.
2. Utilidade ( indicações de uso )
Pode ser utilizada como fonte de bancada, para alimentar projetos que estejam em protoboards ou em testes e que precisam de uma tensão específica não encontrada em fontes comerciais ou que sejam sensíveis a uma elevação abrupta de corrente e que precisem, portanto, de proteção contra sobre-correntes. Pode também ser utilizada para alimentação de equipamentos de baixa potência dentro da faixa de tensão disponibilizada, como, por exemplo, rádio-relógios, brinquedos, cd- players, ou mesmo como carregador de pilhas. Adicionalmente, pode-se utilizar as três saídas de 220V como extensão.
3. Descrição técnica
3.1 Princípio de funcionamento
Nossa fonte é constituída por uma etapa abaixadora de tensão, uma retificadora, uma de filtragem, uma de proteção ( sobre-corrente e curto ) e uma reguladora. Podemos representar o circuito através do seguinte diagrama de blocos:
Figura 1 – Diagrama de blocos do circuito
Na etapa abaixadora, a tensão da rede é convertida para um valor mais conveniente
para as próximas etapas ( 15+15V ); na etapa de retificação utilizamos 2 diodos para obtermos uma tensão contínua pulsante ( sem mudança de sentido ) a qual é entregue à etapa de filtragem, em que conseguimos uma tensão mais ou menos uniforme; a etapa de proteção só é acionada quando o valor de corrente passando pela carga excede 1A, o que aciona um circuito de alarme e desliga a alimentação da carga; a etapa de regulagem é responsável pela escolha da tensão de saída ( 0 a 12V ) e por manter o valor sem flutuações.
3.2 Aprofundamento do funcionamento de funcionamento
O circuito correspodendente é o que segue, onde destacamos as etapas apresentadas acima para melhor visualização.
Figura 2 – Circuito eletrônico da fonte
Examinemos, agora, cada uma das etapas de nosso projeto separadamente.
3.2.1 Abaixamento da tensão
A primeira etapa de nossa fonte constitui-se de um transformador abaixador de
3.2.3 Filtragem
Na etapa de filtragem, foi utilizado, inicialmente, um capacitor eletrolítico de 2200μF ( tensão de trabalho de 25V ) de modo a diminuir a ondulação ( ripple ) da tensão retificada. O capacitor se carrega com a tensão de pico do secundário do transformador ( sem levar em conta a queda de tensão no diodo ) e quando cada semiciclo começa a sua queda o capacitor se descarrega lentamente através da carga , mantendo a corrente aproximadamente constante, até que a tensão de cada semiciclo seguinte alcance o valor que recupere a carga perdida. Veja a figura a seguir.
Figura 4 – Exemplo de ripple numa etapa de filtragem
Desta forma, alternando os ciclos de carga e descarga durante os tempos de condução e não-condução do diodo, o capacitor pode manter uma corrente mais ou menos constante sobre a carga. A pequena variação que ocorre na tensão é o que se chama ondulação ou ripple. O ripple é normalmente expresso em termos da porcentagem que ele representa da tensão de saída. Uma fonte com um ripple elevado, quando alimenta um circuito de áudio, por exemplo, faz com que um ruído na sua frequência seja produzido. Quanto maior for o capacitor, mais lenta será sua descarga entre os semiciclos e assim menor o ripple. Por outro lado, quanto maior for a corrente exigida pela carga, mais rapidamente cai a tensão do capacitor e maior será o ripple. Existe, pois, uma relação entre o valor do capacitor de filtragem, a tensão da fonte e a corrente na carga. Uma regra indicada no livro sobre fontes de Newton Braga é usar 1000μF
de capacitor para cada ampére de corrente de carga em fontes entre 6 e 15V. Na etapa de testes, observamos que o ripple estava um pouco elevado ( chegando a 1,2V com carga e tensão máximas ), o que nos levou a trocar o capacitor do projeto original para um capacitor de 4700 μF, levando a uma queda de ripple para a metade dos valores originalmente obtidos ( maiores detalhes, veja resultados dos testes abaixo ). Um outro ponto importante que deve ser observado em relação à filtragem é que em alguns tipos de fonte é comum a ligação de um capacitor cerâmico em paralelo com o capacitor eletrolítico, pois estes não se comportam bem quando existe um componente de alta frequência no circuito. Coloca-se um capacitor cerâmico em paralelo para desacoplar os sinais de alta frequência que não passam pelo eletrolítico. Este procedimento não foi, entretanto, utilizado em nosso projeto.
3.2.4 Proteção
Para evitar que uma corrente excessiva, provocada por um curto ou de qualquer modo não desejada, danifique o circuito ligado à fonte, uma das etapas da fonte é responsável pela proteção contra sobre-corrente ( servindo também como proteção contra curto-circuitos ). Esta etapa tem como elemento principal um SCR TIC106 que, ao conduzir, fecha um circuito alimentando a bobina de um relé, fazendo com que a carga deixe de ser alimentada ( contato normalmente fechado – NF - do relé ) e, ao mesmo tempo, alimentando um circuito de alarme ( contato normalmente aberto – NA - do relé ), composto por um led vermelho e uma buzina ( buzzer ). Na figura abaixo temos, destacada do nosso circuito, a etapa de proteção.
Figura 5 – Circuito de proteção usando SCR TIC 106
3.2.5 Regulagem ( e ajuste )
A última etapa de nossa fonte é responsável por fornecer à carga uma tensão selecionada ( ajuste ) entre 0 e 12 volts e por manter esta tensão ( regulagem ) sem variações. Utilizamos, para esta finalidade, o que se chama regulador série, cujos elementos principais são, em nosso circuito, um diodo zener e um transistor.
Figura 6 – Regulagem de tensão com Diodo Zenner e Transistor
Diodos zener são um tipo especial de diodo que, quando polarizado inversamente, mantêm constante a tensão entre seus terminais ( tensão zener ) independentemente da corrente ( até o limite da máxima corrente reversa ). Um diodo zener de 15V, por exemplo, inversamente polarizado, manterá 15V entre seus terminais, mesmo que seja aplicado sobre o mesmo uma tensão de, digamos, 20V. A tensão, no entanto, deve ser de no mínimo 15 V, no exemplo dado, para que o zener funcione adequadamente. Abaixo, na figura, a curva característica de um diodo zener.
Figura 7 – Curva do diodo Zener
Utilizamos, em nosso projeto, um diodo zener de 15V / 1W, o que significa que o mesmo manterá entre seus terminais uma tensão fixa de 15V podendo ser percorrido uma corrente de aproximadamente 700mA ( P = V.I , I = 1/15 = 700mA ). A tensão é um pouco maior que a máxima especificada para a saída ( 12V ), pois temos de levar em conta as quedas de tensão nos componentes da fonte, em especial, no transitor. Colocamos em série com o diodo zener um resitor ( R1 ) limitador de corrente, para que não se ultrapasse a capacidade de dissipação do diodo ( 1W ). Para que possamos fornecer a corrente máxima de 1A à carga sem exceder a capacidade de dissipação do zener, utilizamos um transistor de potência ( Q1 ) , no nosso caso o TIP31. O TIP31 suporta uma tensão máxima entre coletor e emissor de 40 volts ( Vce=40V ) e uma corrente máxima de coletor de 3 ampéres ( Icmáx = 3A ), o que está de acordo com os valores a que será submetido em nosso projeto ( para maiores detalhes, veja o datasheet do TIP31, em anexo ). Com o uso do transistor, garantimos que sobre o diodo zener circulará uma corrente muito pequena em relação à corrente exigida pela carga. O transistor deve ser dotado de um dissipador de calor. Através do potenciômetro P1, ajustamos a tensão entre coletor e base do transistor, possibilitando que a tensão de saída varie entre 0 e 12V. O valor do potenciômetro ( 4,7K ) deve ser tal que forneça a corrente necessária para saturar o transistor.
Para facilitar a montagem, acabamos por utilizar uma versão alterada ( usando Paint Shop Pro ) da placa de circuito impresso, na qual as trilhas estão mais afastadas e mais grossas. Esta versão foi uma alteração desenhada “a mão” e, por isso, não possui um design tão atraente quanto a primeira. Seguem as imagens da nova versão de placa ( normal e espelhada ), que foi utilizada no projeto final ( tamanho igual à anterior: 7x4,5cm ).
Figura 10 – Placa modificada
Figura 11 – Placa modificada ( espelhada )
3.3.2 Listagem de componentes
Itens Especificação Custo por unidade (R$) Q1 TIP31C, transistor NPN de potência 1, SCR TIC106 – SCR para qualquer tensão 3, D1, D2 1N4002, diodos retificadores 0, Z1 Diodo Zener, 15Vx1W 0, LED1 Led verde comum 0, LED2 Led vermelho comum 0, C1 Capacitor eletrolítico 4700 μF x 35V 3,
Itens Especificação Custo por unidade (R$)
A maioria dos componentes foi facilmente encontrada no comércio local ( Yama, Radar, etc ). O SCR TIC106, que não foi encontrado em algumas lojas, pode ser substituído
- Título ( convencimento do leitor )
- Utilidade ( indicações de uso )
- Descrição técnica
- 3.1 Princípio de funcionamento
- 3.2 Aprofundamento do funcionamento de funcionamento.....................................
- 3.2.1 Abaixamento da tensão
- 3.2.2 Retificação...................................................................................................
- 3.2.3 Filtragem
- 3.2.4 Proteção.......................................................................................................
- 3.2.5 Regulagem ( e ajuste )...............................................................................
- 3.3 Especificações construtivas..........................................................................
- 3.3.1 Desenho da placa de circuito impresso
- 3.3.2 Listagem de componentes
- Montagem do projeto
- 4.1 Montagem em matriz de contatos
- 4.2 Confecção da placa de ci..................................................................................
- 4.3 Soldagem dos componentes
- 4.4 Montagem do gabinete.....................................................................................
- Procedimentos de teste...........................................................................................
- 5.1 Orientações para a realização de testes
- 5.2 Apresentação dos resultados
- Resultados esperados / obtidos e considerações finais
- Figura 1 – Diagrama de blocos do circuito Índice de Figuras, Gráficos e Tabelas
- Figura 2 – Circuito eletrônico da fonte
- Figura 3 – Retificação com ponte de diodos................................................................
- Figura 4 – Exemplo de ripple numa etapa de filtragem
- Figura 5 – Circuito de proteção usando SCR TIC
- Figura 6 – Regulagem de tensão com Diodo Zenner e Transistor.............................
- Figura 7 – Curva do diodo Zener
- Figura 8 – Placa de circuito impresso ( versão original )..........................................
- Figura 9 – Placa de circuito impresso ( versão original, espelhada ).........................
- Figura 10 – Placa modificada.....................................................................................
- Figura 11 – Placa modificada ( espelhada )
- Figura 12 – Parte de baixo da placa de ci – terminais soldados.................................
- Figura 13 – Gabinete – visão frontal..........................................................................
- Figura 14 – Gabinete – visão lateral
- Figura 15 – Gabinete – embaixo
- Figura 16 – Gabinete – visão de trás..........................................................................
- Figura 17 – Visão interna, vista de cima....................................................................
- Figura 18 – Visão interna - transformador.................................................................
- Figura 19 – Visão interna – ligação entre a placa e a frente da fonte
- Figura 20 – Visão lateral interna................................................................................
- Figura 21 – Bancada de testes....................................................................................
- Figura 22 – Leitura de ripple no osciloscópio............................................................
- Gráfico 1 – Ripple em diferentes tensões e cargas
- Gráfico 2 – Queda de tensão: tensão sem e com a carga
- Tabela 1 – Resistores utilizados como carga
- Tabela 2 – Resultados obtidos nos testes
- C2 Capacitor eletrolítico 10 μF x 16V 0,
- R1 Resistor 220Ώ x 1W ( vermelho,vermelho, marrom ) 0,
- R2,R3 Resistor 2,2KΏ x 1/8W ( vermelho,vermelho,vermelho ) 0,
- R4 Resistor 1Ώ x 2W ( marrom, preto, prateado ) 0,
- P1 Potenciômetro 4,7KΏ ou 10kΏ - linear ou logarítmico 4,
- J1,J2 Bornes vermelho e preto 0,
- T1 Transformador 220V para 15+15V e 2A 12,
- K1 Relé de 12Vx50a200mA – 2 contatos reversíveis 4,
- F1 Fusível 500mA 0,
- S1 Interrupotor simples 0,
- S2 Botão de reset tipo normalmente fechado 1,
- B1 Buzina 12V 5,
- Total 38,
C UIDADO! A substância ácida é perigosa para a saúde. Evite contato com a pele e, principalmente, olhos ou mucosas. Evite respirar o vapor que sai da mistura. Utilize roupas velhas quando for trabalhar com o ácido, pois se o mesmo respingar na sua roupa provavelmente a estragará.
A placa é amarrada a um fio e colocada na mistura. Coloca-se a mesma com o cobre voltado para baixo. De vez em quando, puxa-se o fio para verificar o andamento do processo. Pode-se dar uma “mexida” na placa de vez em quando, com cuidado, para que o excesso de material se solte. É preciso muita atenção ao tempo de permanência: pouco tempo e haverá excesso de material, o que pode acarretar em curtos em locais inesperados, muito tempo e pode haver corroção excessiva dos locais destinados às trilhas. No nosso caso, devido à qualidade da mistura no momento, tivemos um tempo de permanência na mistura ácida de 45 minutos. Depois que se retira a placa do ácido, lava-se a mesma com água corrente. Em seguida, fazemos os furos onde ficarão os terminais dos componentes. Se for verificado algum excesso localizado de cobre, devemos raspá-lo, caso contrário teremos caminhos inesperados no circuito.
4.3 Soldagem dos componentes
Devemos tomar cuidado, durante a montagem dos componentes na placa de circutio impressso, para que os mesmos não sejam submetidos a calor excessivo. Para tanto, soldamos primeiramente os componentes mais robustos ( resistências, capacitores, fios ) e por último os mais delicados ( transistores, SCRs, diodos ), de modo que estes últimos fiquem menos tempo expostos ao calor do ferro de soldagem. O ferro não deve ser de uma potência muito elevada ( 20W ) para evitar aquecimento desnecessário. Abaixo, figura da soldagem ( parte de baixo ) dos componentes na placa.
Figura 12 – Parte de baixo da placa de ci – terminais soldados
4.4 Montagem do gabinete
Utilizamos como gabinete de nossa fonte, um gabinete de estabilizador de microcomputador, metálico, cinza, de 18cm x 11cm x 11cm ( profundidade x largura x altura ).
Figura 13 – Gabinete – visão frontal
Figura 14 – Gabinete – visão lateral
- Botão liga/desliga 4. Botão de reset
- Bornes de saída 5. Led de funcionamento normal ( verde )
- Seletor de tensão ( potenciômetro ) 6. Led de curto/sobre-corrente ( vermelho )
Legenda para figura 13
Figura 18 – Visão interna - transformador Figura 19 – Visão interna – ligação entre a placa e a frente da fonte
A placa de circuito impresso foi parafusada na carcaça do gabinete ( parte de baixo ). Colocamos três pés de borracha para garantir isolamento elétrico e para melhor ventilação ( veja figura 12 acima ).
Figura 20 – Visão lateral interna
As dimensões do gabinete, junto com as aberturas laterais ( veja figura 14 acima ) garantem uma boa ventilação. Adicionalmente, o transistor foi dotado de um bom dissipador de calor.
5. Procedimentos de teste
Depois de devidamente montada, submetemos nossa fonte a vários testes de bancada para verificar se a operação da mesma corresponderia às especificações teóricas.
5.1 Orientações para a realização de testes
Para realização dos testes, ligamos à fonte uma carga resistiva pura ( resitores de potência ), com valores previamente definidos, para obtermos, em várias tensões selecionadas, comportamento de meia-carga, ¾ de carga e carga total ( respectivamente 0.5, 0.75 e 1 A ). Juntamente com a carga, ligamos um voltímetro ( em paralelo ), um amperímetro ( em série com a carga ) e o osciloscópio ( em paralelo à carga ). Veja figura abaixo.
Figura 21 – Bancada de testes
Os valores de tensão escolhidos para teste foram 6, 9 e 12V. Para cada valor de tensão, utilizamos uma carga resistiva que expusesse a fonte a uma situação de meia-carga, ¾ de carga e carga máxima, como já dito. Os valores de resistência encontrados, calculados através da lei de ohm, foram os que seguem.