Atividade Complementar Eletrônica Básica – Professor Garms

Projeto de Fonte de Tensão

Introdução

Características: - Tensão de saída: 5V; - Corrente de saída: 100mA e: - Tensão de entrada: 110Vef ±10%. Será utilizado transformador com derivação central, retificação com dois diodos (onda completa), filtragem com capacitor eletrolítico e regulagem de voltagem com diodo zener. Abaixo, segue imagem com aspecto geral do projeto:

Figura 1

Projeto

O projeto será executado da saída para a entrada do circuito. 1. Regulagem de Tensão Parte-se da tensão retificada e filtrada, observada na figura abaixo:

Figura 2

Como este projeto deverá fornecer 5V em sua saída, o valor de Vdc sobre o capacitor deve ser maior e normalmente é usado o valor de 5V acima da tensão de saída Vdc: Vsaída + 5 = 10V. Considerando a variação de tensão na rede, assume-se um ripple de ∆V de 0,5 Vpp, resultante da filtragem pelo capacitor, para obter Vinmínimo e Vinmáximo, sendo Vin a tensão de entrada no regulador: Variação na rede: 10%

Vinmínimo = (Vdc - ∆V/2) x 0,9 = (10 – 0,5/2) x 0,9 = 8,8V Vinmáximo = (Vdc + ∆V/2) x 1,1 = (10 + 0,5/2) x 1,1 = 11,3V Determinação do diodo Zener: É calculado o valor de corrente máximo que irá circular pelo diodo zener, em seguida é comparado com o valor de corrente máximo que o zener em questão pode suportar. Para isso, usa-se a seguinte fórmula:

Izmáxcalc = (Ilmáx + Izmín) . [(Vinmáx-Vz)/(Vinmínimo-Vz)]

Em seguida, escolhe-se um diodo zener entre os disponíveis no mercado, utilizam-se os valores característicos do componente na fórmula Izmáxcalc, junto às especificações da fonte, para vermos se o zener escolhido atende ou não nossa necessidade:

Parâmetros do Zener escolhido: Pz máx = 1,3 W Izmín = 20 mA Valor nominal do zener = 5V Iz máx que o zener poderá suportar: Pzmáx / 5V = 260mA Izmáxcalc = (0,1 + 0,02) x [(11,3-5)/(8,8-5)] = 0,199A Como Izmáxcalc < Iz máx que o zener poderá suportar, o diodo escolhido poderá ser

usado no projeto. Determinação do Resistor R1: Esse resistor limita a corrente que circula pelo diodo zener, deixando esta corrente num valor

entre Izmín e Izmáx. Fórmulas utilizadas:

[(Vinmáx – Vz)/(Izmáx)] ≤ R ≤ [(Vinmín-Vz)/(Izmín+ILmáx)]

Potência dissipada no resistor = (Vinmáx-Vz)²/R

R ≤ [(8,8-5)/(0,02+0,1)] R ≤ 31,6 ohms R ≥ [(11,3-5)/(0,26)] R ≥ 24,2 ohms Potência dissipada no resistor: (11,3-5)²/27 = 1,47W Portanto, o valor escolhido para R1 será: 27 ohms x 2W

2. Etapa de retificação e filtragem da fonte A parte não regulada da fonte pode ser projetada substituindo-se o regulador de tensão por

uma carga fixa RL’, calculada com a seguinte fórmula:

RL’=Vméd/[(Vméd-Vz)/R1]

Figura 3

RL’= 10/[(10-5)/27] = 54 ohms. A substituição do resistor R1 e do diodo Zener por uma carga fictícia RL’ é uma aproximação.

Na verdade o Zener se comporta como um receptor de energia e não como uma carga ôhmica. Determinação do valor do capacitor e especificação dos diodos: Para a determinação do valor do capacitor, é usada a seguinte fórmula:

C1=[Vdc/(2.f.RL’.∆V)]

Cálculo de C1: C1 = [10/(2x60x54x0,5)] = 0,003 F = 3000µF

Em seguida, calcula-se o valor de pico do sinal senoidal na saída de um dos enrolamentos do secundário do transformador:

Fórmula:

Vp=Vdc.{1+[1/(4.f.RL’C1)]}

Vp= 10x{1+[1/(4x60x54x0,003)]} Vp=10,26V Os diodos retificadores deverão suportar uma tensão reversa maior que 2Vp = 20,52V e uma

corrente direta maior que IR1/2. Para calcularmos IR2, devemos usar os valores Vdc e RL’: IR2=Vdc/RL’ = 10/54 = 0,185A Corrente direta que deverá ser suportada pelo diodo retificador: 0,185/2=92,6mA Neste projeto, será usado então, o diodo 1N4007, fabricado pela empresa Fairchild, que

segundo datasheet mostrado a seguir, informa que o componente em questão suporta Corrente direta máxima de 1ª e Tensão reversa máxima de 1000V.

Figura 4

3. Transformador e Fusível

Figura 5

Como já foi calculado o valor de Vp = 10,26V, agora, calcula-se o Valor eficaz de tensão e corrente no secundário do transformador: Vef=Vp/√2 = 10,26/1,4142 = 7,25Vef A corrente que circulará no enrolamento secundário do transformador pode ser calculada em função da potência entregue à carga RL’: P=Vp ²/RL’ = 10,26 ²/ 54 = 1,95 W

Ief= P / 2.Vef = 1,95/2x7,25 = 0,186 A = 186mA O próximo passo é determinar a corrente que circula no primário do transformador, para

escolha do fusível: Pela relação de voltagens e correntes temos:

I1=(V2/V1)*I2

I1=(2x7,25/110)*186 = 17,75mA Como um fusível deve possuir valor nominal de 5 a 10 vezes a corrente que circulará pelo mesmo, o fusível escolhido será de 100mA.

4. Tópico adicional

Para o tópico adicional, será projetada a placa de circuito impresso dessa fonte e disposição de componentes em 3D. O projeto será feito no software SolidWorks e as imagens são mostradas a seguir.

Figura 6

Figura 7

Figura 8

Figura 9

FIM.