retificador de tensão

Projetando uma fonte de alimentação – retificador de tensão

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Você já deve ter percebido que todos os circuitos eletrônicos precisam de algum tipo de fonte de energia. No caso dos aparelhos portáteis, as fontes são as baterias e pilhas. Baterias e pilhas fornecem uma corrente contínua pura, muito adequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. Mas o custo operacional é muito alto. Todos aqueles que possuem ou já utilizaram um TV portátil alimentada a bateria sabem exatamente do que estamos dizendo 🙂 .retificador de tensão

Seja para o caso de aparelhos não portáteis, seja para uso em um laboratório de desenvolvimento e experimentação, o que precisamos é de uma Fonte de Alimentação. Uma fonte de alimentação é um dispositivo que converte a tensão alternada existente em nossas casas para a tensão contínua, nos níveis necessários para os diferentes equipamentos.

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Existe uma gama de tensões padronizadas pelo uso, que são normalmente as geradas pelas fontes de alimentação. Os valores de tensões “padrões” são de 1.5 , 3, 4.5 , 5 ,6, e 12 V. Tensões de 1,5, 3 , 4.5 e 6 V são normalmente utilizadas em situações onde o aparelho também deve ser utilizado com pilhas (a tensão nominal de uma pilha comum de zinco-carbono é de 1,5 V). A tensão de 5 V é a mais utilizada nos circuitos digitais, como por exemplo os microprocessadores. E as tensões de 12 e –12 V são muito utilizadas em circuitos analógicos, como por exemplo os que utilizam amplificadores operacionais. Se alguns dos exemplos se referem a dispositivos que não são ainda conhecidos por você, não se preocupe, falaremos sobre eles mais tarde.

Com os conhecimentos aqui apresentados você será capaz de dimensionar uma fonte para qualquer valor de tensão dentre os apresentados, com diferentes capacidades de corrente.

Um fonte de alimentação é composta de quatro blocos principais. Veja a figura 4.1. O primeiro bloco é constituído de um transformador. Este bloco é o responsável pelo rebaixamento da tensão alternada de 127/220 V na entrada para 12 (ou qualquer tensão desejada) para saída. O segundo bloco é constituído de diodos retificadores, que podem

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Figura 4.1: Diagrama em blocos de uma fonte estabilizada

estar operando em onda completa ou meia onda. Observe na figura 4.2 as formas de onda correspondentes a cada caso.

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Figura 4.2. Formas de onda na saída de um retificador de onda completa (em cima) e meia onda (em baixo)

Apenas rebaixar a tensão e retificá-la não é o suficiente. Os equipamentos eletrônicos necessitam de tensão constante e estabilizada. Uma tensão é dita estabilizada quando o seu valor não muda, independente da corrente solicitada pela carga (a carga é o equipamento que estamos alimentando).

A transformação da forma de onda pulsante entregue pelos diodos, numa forma de onda contínua, é realizada por capacitores de filtragem. O que os capacitores fazem, neste caso, é se carregarem com a tensão de entrada, quanto ela está alta, e fornecer corrente, durante os intervalos de tempo em que a tensão advinda dos diodos está baixa ou mesmo zero.

A carga de um capacitor é dada por:

Q = CV , ou seja, carga em Coulomb , é igual a capacitância, em Farads  vezes a  tensão em volts.

Analisando a variação da carga em função do tempo, temos a seguinte expressão: (o símbolo Δ denota variação, assim Δt corresponde a variação do tempo, ΔQ corresponde a variação da carga.

ΔQ/Δt = C * ΔV / Δt

A variação da carga com o tempo é igual a corrente. Você deve estar lembrado da primeira aula, onde definimos corrente elétrica como a taxa de carga por tempo. Portanto isto leva à formula:

I = C ΔV/ Δt , ou seja, a corrente em amperes fornecida pelo capacitor de capacitância C é igual ao valor da capacitância em Farads x a variação da tensão em volts /segundo.

Esta fórmula nos permite calcular quanto a tensão vai cair durante os intervalos de baixa tensão do sinal oriundo do retificador.

A frequência do sinal da rede elétrica é de 60 HZ. Conhecendo a frequência, o período é calculado como T= 1/F. Observe na figura 4.3 a representação física deste tempo.

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Figura 4.3. Representação gráfica do período de uma forma de onda senoidal

Aqui temos os dados necessários para calcular o valor do capacitor. Vamos estudar apenas uma parte do ciclo, pois a situação se repetirá a cada novo período.

O capacitor vai se carregar com a tensão de pico, início do tempo t2 (figura 4.4) . A partir deste ponto ele se descarrega até atingir o ponto t1. A tensão do ponto t1 é uma especificação de projeto. Basicamente a pergunta é:

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Figura 4.4: Em vermelho, a forma de onda após o capacitor de filtragem

Qual é o valor do capacitor, que faz com que a tensão na fonte varie entre um máximo de Vmax volts até um mínimo de Vmin Volts, quando a carga solicita uma corrente de “I” ampères.

Lembre-se. O valor máximo atingido por uma onda senoidal é igual a 1.41 vezes o valor eficaz. Assim, se o seu transformador tiver um secundário de 12 V (eficazes), a tensão de pico que teremos na saída será de 12 * 1,41 = 17

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V.

Agora fica fácil. Se a matemática estiver difícil para você agora, pule esta parte é vá para o próximo tópico. Mas faça o possível para compreender. Estes conceitos serão importantes em outras situações também. Para referencia dos componentes que estão sendo calculados, refira-se sempre a figura 4.7 , no final do texto. Esta figura mostra o esquema da fonte fixa que iremos aprender a projetar.

A forma de onda da rede é uma senoide. A equação matemática que descreve esta forma de onda é :

V= Vmax sen(wt)

Onde w é a freqüência angular, dada por 2 * pi * f = 377

Vamx= 17 Volts (para um transformador com secundário de 12 V)

Com esta formula podemos calcular o tempo t2. Observe que no tempo t1 temos a tensão de Vmin, especificada no início de nosso projeto.

Portanto t1= arcseno (Vmin/Vmax) / wt

O tempo t2 equivale a um quarto do período. Portanto, é igual a 4,17 ms.

O tempo total é Tt é igual a t1 + t2

A variação de tensão V será igual a Vmax- Vmin.

O valor do capacitor necessário para garantir esta variação de tensão, no tempo especificado (total) e com a corrente especificada, será de :

C = i/ ΔV

Os capacitores desta ordem de grandeza de capacitância são os chamados capacitores eletrolíticos. A palavra eletrolítico se refere ao dielétrico que isola as placas do capacitor, que neste caso é um eletrólito. Os capacitores eletrolíticos são polarizados, ou seja, possuem um terminal positivo e um terminal negativo. Tome cuidado com isto ao montar a sua fonte. A inversão dos terminais equivalerá a um curto circuito da fonte.

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O valor calculado deve ser arredondado para mais, quando especificarmos o eletrolítico. Quanto maior for o valor do capacitor que empregarmos, melhor vai ser a estabilização da tensão. Os capacitores eletrolíticos possuem uma tolerância muito alta, isto é, o valor real do capacitor pode estar entre –50% e + 80 % do valor nominal. Portanto, escolha um eletrolítico que garanta as especificações mínimas.

Um parâmetro importante do capacitor eletrolítico é a sua tensão de isolamento. Se ultrapassarmos a tensão de isolamento o dielétrico se rompe, e o capacitor irá literalmente explodir, devido ao aquecimento. Selecione uma tensão de isolamento que nunca seja ultrapassada, de preferência o dobro da maior tensão esperada. Lembre-se de que quanto maior a tensão de isolamento e a capacitância de um eletrolítico, mais volumoso e caro é o componente.

Agora, quando você ver numa revista a especificação de um capacitor eletrolítico como, por exemplo, 1000 microfarads/100 V, já sabe que os 100 V se referem a tensão máxima que o componente pode suportar, e 1000 microfarads é a capacitância nominal , na prática podendo estar entre 500 e 1800 microfarads.

Com o acréscimo do capacitor , a forma de onda da saída já fica bem mais plana. Observe o resultado na figura 4.4

Para fins de alimentação de circuitos eletrônicos, no entanto, a forma de onda resultante ainda possui uma variação muito grande. Se estivermos alimentando um amplificador de áudio com este circuito, por exemplo, iremos notar um “ronco” grande na saída. Os circuitos eletrônicos necessitam de serem alimentados com tensões bem mais estáveis.

Antigamente, o projeto de uma fonte de alimentação estabilizada e protegida contra curto circuitos resultava em uma grande quantidade de componentes e de custo razoavelmente elevado. Felizmente, hoje em dia, o uso de circuitos integrados reduziu o numero de componentes a um mínimo , com uma performance equivalente ou superior aos circuitos mais complexos utilizados nos projetos mais antigos. Para uma corrente de até 100 mA, a série de circuitos integrados 78LXX é uma solução muito adequada. Para correntes de até 1 A, temos na série 78XX a solução natural para a construção de fontes de alimentação protegidas e simples de serem montadas.

O “XX” na especificação do circuito integrado deve ser substituído pelo valor de tensão desejado na saída. Assim, se estamos projetando uma fonte de alimentação de 5 V, o circuito apropriado será o 7805, se for uma fonte de 12 V, o circuito apropriado será 7812, e assim por diante.

Para o uso de uma fonte integrada deste tipo, temos que tomar os seguintes cuidados:

1– A tensão de entrada do integrado deve ser no mínimo 3 volts acima da tensão de saída. Assim, se estamos estabilizando 12 V na saída, a entrada deve ter no mínimo 15 volts.

2- A tensão da entrada deve ser no máximo 40 volts.

3- A corrente máxima de saída deve ser de 1 Ampère para o caso da série 78xx e 100 mA no caso da série 78Lxx.

4-A potência máxima dissipada no circuito integrado deve ser de 15 watts.

O uso deste circuito integrado é muito simples. Observe a figura 4.5, Além do circuito integrado, foram acrescentados dois capacitores de disco de 10Kpf, úteis para a melhorar a estabilização (eles são necessários devido ao circuito interno da fonte).

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Figura 4.5: Estabilização com um CI 78XX

A forma de tensão da saída agora será praticamente uma linha contínua. Esta forma é mais do que adequada para alimentar a grande maioria dos circuitos eletrônicos.retificador de tensão

Quando você montar esta fonte, irá notar que o circuito integrado se aquecerá quanto estivermos solicitando correntes elevadas. Este aquecimento é devido a potência dissipada pelo integrado. Esta potência é dada por:

P= V x I, com P em Watts, V em volts e I em ampéres.

onde V corresponde a queda de tensão entre os terminais do integrado e I é a corrente máxima que circula. O quanto esta dissipação de potência resulta em um aumento de temperatura, depende da chamada “resistência térmica”.

Observe a figura 4.6. Uma fonte de calor (a potência sendo dissipada no integrado) provoca um aumento de temperatura dentro do chip. Devido a resistência térmica entre o chip e a pastilha plástica, parte deste calor é transferido para o encapsulamento, que aumenta de temperatura.

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Figura 4.6: Resistência térmica e temperaturas na pastilha, encapsulamento e ambiente.retificador de tensão

O encapsulamento, por sua vez, tem uma determinada resistência térmica entre si e o meio ambiente. Se esta resistência fosse zero, a temperatura do encapsulamento seria sempre a mesma temperatura do meio ambiente. Mas como ela não é zero, o encapsulamento fica a uma temperatura mais elevada do que o meio ambiente.

O que gostaríamos é que a temperatura do chip não aumentasse muito em relação ao meio ambiente. Aliás, alguns meios ambientes por si só já são muito quentes (Alô, colegas de Cuiabá, nada pessoal …  ) . Para que isto aconteça, a resistência térmica entre a pastilha e ambiente deveria ser a mínima o possível. Como a resistência entre a pastilha e o encapsulamento é definida pelo processo de fabricação, nada podemos fazer. Só podemos então atuar sobre a resistência entre o encapsulamento e o ambiente. Ai entra em cena o dissipador de calor.

O dissipador de calor é constituído geralmente de uma placa de alumínio, com aletas para aumentar a área de transmissão de calor. Quanto maior a área do dissipador, maior a sua capacidade de extrair o calor do encapsulamento e equalizá-lo com o meio ambiente.

Uma forma de diminuir ainda mais a resistência térmica entre o encapsulamento e o dissipador, é utilizar uma pasta térmica que melhora em muito o acoplamento térmico entre o dissipador e o encapsulamento. Com o uso da pasta térmica (também chamada de pasta de silicone) temos a maior dissipação de calor possível, contribuindo para manter mais frio o circuito integrado, com reflexos imediatos na sua vida útil e operação correta. No caso dos circuitos integrados da série 78xx, por exemplo, um circuito interno especial desliga a saída se a temperatura interna do chip aumentar mais do que um valor especificado pelo fabricante,retificador de tensão

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Embora o cálculo dos parâmetros do dissipador não seja especialmente difícil, do ponto de vista de produção de protótipos e para hobistas , não tem muito sentido. Você pode calcular a resistência térmica do dissipador necessário, mas quando chegar na loja, se pedir por este parâmetro , provavelmente o balconista via ficar olhando para você com cara que não entendeu nada. Os dissipadores são mais vendidos por tamanho. Para obter as características técnicas especificas, entre em contato com o fabricante.

Em linhas de produção, a escolha do menor dissipador possível (e mais barato) possui importância econômica relevante, pois significa menor volume ocupado e menor custo por unidade. Para o caso de protótipos e construção de pequenas séries, use uma norma prática. Instale o maior dissipador possível no seu sistema, e faça uma medida da temperatura. Se estiver dentro dos padrões do fabricante do integrado ou transistor (sim, os dissipadores são muito utilizados para esfriar os transistores de saída dos amplificadores de potência de áudio) , utilize este dissipador. Se estiver projetando para uma linha de produção, estude o assunto mais rigorosamente ou entre um contato com um especialista para assessorá-lo no assunto.retificador de tensão

O LED será utilizado para indicar o correto funcionamento da fonte. Quando a fonte estiver funcionando o LED estará aceso. Devemos então calcular o valor do resistor do LED . Este resistor tem como finalidade limitar a corrente sobre o LED a um valor seguro. Vamos considerar esta corrente como sendo de 10 mA. O valor do resistor é dado pela fórmula:

R= (Vcc – 1.5)/I, onde Vcc é a tensão de saída da fonte, e I = 0,01 ma, corrente de acionamento do LED.retificador de tensão

A corrente que passa por este resistor irá provocar o seu aquecimento. Mas resistores devem trabalhar frios. A potência dissipada por este resistor é dada por:

P= (Vcc-1,5) * I (Watts)

O correto é utilizarmos um resistor dimensionado para suportar pelo menos 3 vezes o valor calculado de potência dissipada. Os valores padronizados de dissipação de resistores são 1/8, ¼. ½ . 1 e 3 W (resistores de carvão). Assim, escolha, entre os valores padronizado, aquele que mais se aproxima do limite de 3 * potência calculada.

O último componente que nos falta calcular é o fusível. O Fusível deve ser colocado no lado do primário do transformador, ou seja, o lado onde temos ligados 127/220 V. O cálculo do fusível é muito simples. A relação de correntes entre o primário e o secundário de um transformador segue na linha inversa da relação de tensão. Assim :retificador de tensão

A relação de tensões é de 127/12 = 10

A relação de correntes será de 1/10 = 0,1

Como a corrente máxima na saída será de um ampère, a corrente máxima na entrada será de 0,1 Ampère.

Devemos utilizar um fusível com uma capacidade 5 vezes a corrente máxima especificada. Isto permitirá que o fusível absorva os picos de corrente, que são normais e não significam problemas, mas ao mesmo tempo, em caso de curto circuito, o sistema está protegido.

Observe que no caso de nossa fonte, o circuito está duplamente protegido. O circuito integrado da fonte por si é protegido contra curto circuito, cortando a corrente no caso de ocorrer um curto. No caso de falha neste sistema de proteção, entra em ação o fusível.retificador de tensão

Com os conhecimentos aqui adquiridos, você está apto a resolver a muitos dos dos problemas de fontes deste tipo, também chamadas de fontes lineares, em oposição as fontes chaveadas.

Fontes chaveadas são mais difíceis de serem projetadas, são de custo muito mais elevado nesta faixa de corrente, e são bem mais eficientes. Estudaremos o projeto de fontes chaveadas no decorrer da nossa conversa.

Uma vez que você já sabe como calcular uma fonte fixa de tensão, o passo seguinte natural é uma fonte variável. Para projetar uma fonte variável devemos alterar apenas um dos blocos básicos, o estabilizador. Utilizando um circuito integrado apropriado para uso como fonte variável, ao invés de fonte fixa como o 78xx, podemos construir este tipo de fonte.

Um circuito apropriado para uso como fonte variável é o CI 723. Este circuito, é um pouco mais complexo do que no caso de fonte fixa, mas apresenta muitas mais opções. Neste caso, o uso de programas como o CadEle vai realmente simplificar muito seu trabalho.retificador de tensão

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Figura 4.7: Esquema de uma fonte de tensão fixa

Fonte : https://cadernodelaboratorio.com.br/2015/05/15/projetando-uma-fonte-de-alimentacao/

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