relatório

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEMEC/UFSJ

Projeto Técnico: Fonte Regulada – 12V, 1A.

Projeto e Simulação: Fonte Retificadora Regulada com Zener

Autores:

Fabrício Alvarez 0609549-6

Bermudinha 0809556-6

SÃO JOÃO DEL-REI

junho/2011

Resumo: Projeto de uma fonte retificadora regulada. Trabalho da disciplina de eletrônica do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del rei/MG, ministrada pelo professor Prof. Dr. Davidson Firmino.

Relatório Técnico – Projeto e Construção Fonte Retificadora

Discipliona de Eletrônica I – Prof. Davidson Lafitte – Universidade Federal de São João del-Rei

Sumário

1 Introdução ................................................................................................................................................... 3

2 Objetivo (Projeto) ........................................................................................................................................ 4

3 Projeto da Fonte Regulada: Projeto por Blocos (Etapas) ............................................................................ 4

3.1 Projeto: Bloco de Transformação ........................................................................................................ 5

3.1.1: Projeto do Transformador ................................................................................................................. 6

3.1.2: Características Técnicas do Transformador ...................................................................................... 7

3.2 Projeto: Bloco de Retificação .............................................................................................................. 7

3.2.1 Projeto: Bloco Retificador – DIODO ............................................................................................. 7

3.2.2 Projeto do Bloco Retificador: Especificação dos DIODOS. ........................................................ 11

3.3 Projeto: Bloco de Filtragem ............................................................................................................... 12

3.3.1 Projeto: Bloco de Filtragem: Especificação do Capacitor .......................................................... 13

3.4 Projeto: Bloco de Regulagem ............................................................................................................ 14

3.4.1 Projeto: Bloco de Regulagem: determinação do circuito Zener ............................................... 16

3.5 Projeto de uma Fonte Retificadora Regulada – Resumo Técnico. .................................................... 17

4 Montagem, Simulação e Análise dos Resultados ...................................................................................... 18

5 Orçamento de Compra – Execução do Projeto ......................................................................................... 20

6 Problemas e Dificuldades encontradas ..................................................................................................... 20

7 Referências Bibliográficas .......................................................................................................................... 20



1 Introdução

Com o advento da corrente alternada, tornou-se possível a transmissão de energia elétrica a grandes

distâncias devido à possibilidade de se reduzir consideravelmente as perdas de energia na linha de

transmissão, principalmente por efeito joule. Esta redução se dá pela característica que a corrente alternada

tem de, para uma mesma potência de transmissão, ao elevar sua tensão de transmissão reduzimos sua

corrente circulante, através de transformadores podemos facilmente elevar a tensão de operação de uma

linha, reduzindo-se assim, sua corrente de operação e conseqüentemente, as perdas por efeito joule nesta

linha.

Porém, a maioria dos equipamentos de uso doméstico e grande parte dos industriais necessitam de

corrente contínua para operar, é nesse ponto que entra em cena as chamadas fontes retificadoras. Estas

fontes recebem a corrente alternada e a transformam em corrente contínua através de algumas técnicas de

retificação. Na figura 01 abaixo, podemos observar esquematicamente as etapas que constituem o processo

de transformação da corrente alternada em corrente contínua:

Figura 1

Analisando o esquema apresentado na figura 01 acima, observamos que cada bloco corresponde a uma

etapa diferente no processo de conversão CC/CA. No primeiro bloco temos o transformador, que é

responsável por abaixar ou elevar a tensão de entrada conforme a necessidade técnica. Esta elevação ou

redução na tensão de saída se dá através de uma relação direta entre o numero de espiras da bobina do

primário e do secundário do transformador.

Na etapa de retificação, utiliza-se de componentes semicondutores, denominados Diodos, que são

capazes de “filtrar” um sinal alternado de tensão e corrente, deixando passar apenas uma parte deste sinal

de entrada, que no caso deste projeto, o sinal de entrada é senoidal. Esta etapa de retificação produz como

saída, um sinal contínuo pulsante, ou seja, não há mais um sinal alternado. Porém, apesar do sinal de saída

ser denominado contínuo, ele necessita de um refinamento para se tornar o mais próximo possível de um

sinal contínuo puro, ou seja, sem variação no tempo, e para esta finalidade temos o bloco de filtragem, que

utiliza de uma característica de um componente chamado capacitor, que possui como propriedade principal

armazenar e fornecer carga elétrica (corrente elétrica). A atuação do capacitor se dará quando o sinal



pulsante na saída do retificador tender a variar, o capacitor irá entregar carga (corrente) ao circuito, de

forma a tentar impedir qualquer variação de tensão (e corrente) no sistema. E por fim, no último bloco

temos a etapa de regulagem e proteção, que possui como principal característica controlar o sinal de tensão

que é entregue na carga, mantendo dentro dos parâmetros pré-estabelecidos, os níveis máximos e mínimos

de tensão e corrente que a carga deve operar que no caso deste projeto, esta regulagem é obtida através da

exploração das características de um diodo especial, chamado de zener.

2 Objetivo (Projeto)

O principal objetivo deste trabalho é projetar uma fonte de tensão regulada com as seguintes

características operacionais:

Tensão de entrada: 127Vac.

Tensão de Saída: 12Vcc.

Corrente de saída: 1A.

ripple (saída): <4%

Para o desenvolvimento deste projeto, devemos especificar todos os componentes que serão utilizados,

bem como enquadrar suas características de operação, com as necessidades do projeto proposto, a fim de

garantirmos a qualidade e a confiabilidade de operação de nosso equipamento projetado. Para tanto, cada

bloco apresentado na figura 01, será desenvolvido e especificado, analisando as situações a que os

componentes constituintes estarão sujeitos a operar.

3 Projeto da Fonte Regulada: Projeto por Blocos (Etapas)

Conforme observamos na figura 1, o processo de conversão da corrente alternada (C.A.) em corrente

contínua (C.C.) pode ser representando através de um diagrama de blocos, onde cada bloco em si,

representa uma etapa distinta do processo de conversão. Representaremos novamente cada etapa no

processo de conversão, conforme a figura 02 abaixo, a partir de onde, iniciaremos o projeto da fonte

regulada conforme especificações.

Figura 2 - Conversão CA/CC - representação em blocos



3.1 Projeto: Bloco de Transformação

O bloco de transformação é o bloco de entrada de uma fonte retificadora, pois usualmente os valores de

tensão contínua que são requisitados por circuitos eletrônicos são baixos, (entre 1Vcc e 24Vcc) sendo

portanto necessário uma redução (transformação) do sinal de entrada, em um sinal de menor valor,

compatível com os circuitos eletrônicos onde a onde irá atuar. Normalmente, as tensões de entrada de uma

fonte retificadora variam entre 127Vca e 220Vca, surgindo então a necessidade de abaixar este valor de

tensão a um nível satisfatório para que a fonte atenda seus requisitos, e para isso utilizamos das

características que os transformadores possuem de elevar ou reduzir a tensão entre seus terminais. Um

transformador conforme já discutimos na introdução, consegue elevar ou abaixar a tensão de saída através

da sua relação de espiras entre as bobinas primária e secundária, na figura 03 abaixo, podemos observar

melhor o esquema de um transformador:

Figura 3 - Representação de um transformador

Onde:

N1 representa o numero de espiras na bobina do primário. i1 representa a corrente que circula no primário. N2 representa o numero de espiras na bobina do secundário. i2 representa a corrente que circula no secundário. Através da relação entre as espiras do primário e secundário do transformador podemos variar a tensão de saída conforme a necessidade, a equação 01 abaixo nos apresenta como se dá esta relação de transformação:

𝑟 =𝐸2

𝐸1=𝑁2

𝑁1=

𝐼1

𝐼2

Equação 1 - Relação de transformação

Onde: r: constante de transformação E2: Tensão do Secundário E1: Tensão do primário (alimentação) N2: Numero de espiras na bobina secundária N1: Numero de espiras na bobina do primário. Através desta simples relação de espiras, apresentada na equação 01, podemos determinar a tensão de

saída de um transformador, sua relação de transformação, suas correntes e sua potência de operação.



3.1.1: Projeto do Transformador

Características operacionais requisitadas pelo projeto:

Tensão de Saída:

Como a tensão de saída da fonte retificada é de 12Vcc, e sabendo-se que a fonte reguladora de tensão opera

com a tensão de pico do sinal de entrada, ou seja, na etapa de retificação e filtragem, o circuito armazena o

valor da tensão de pico do secundário do transformador, logo, podemos determinar a tensão de saída do

secundário do transformador como sendo:

𝑽𝑪𝑨𝒔𝒆𝒄𝒖𝒏𝒅á𝒓𝒊𝒐=

𝑽𝒄𝒄+𝑽𝒒𝒖𝒆𝒅𝒂 𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐

𝟐 Equação 02.

𝑽𝑪𝑨𝒔𝒆𝒄𝒖𝒏𝒅á𝒓𝒊𝒐=

𝟏𝟐+𝟏,𝟒

𝟐 = 9,48 [Vca] (rms)

Após uma pesquisa, observamos que não há comercialmente disponível um transformador com essa relação

de tensão, sendo o valor mais próximo comercialmente existente é de 12Vca rms (16,97 Vpico)

Tensão de Entrada:

127Vca (parâmetro de projeto)

Relação de transformação r.

A relação de transformação é utilizada para a especificação do transformador junto ao fabricante:

𝑟 =𝐸2

𝐸1=

8,48

127= 𝟎,𝟎𝟔𝟔𝟕𝟕

Através da relação de transformação podemos determinar as correntes em cada bobina do transformador:

𝑟 =𝐼1

𝐼2

De acordo com o projeto, a corrente no secundário é de 1A, logo, a corrente que o primário deve suportar é:

𝐼1 = 𝐼2 ∗ 𝑟

𝐼1= 0,06677 [A].

Potência do Transformador:

𝑃 = 𝐸2 ∗ 𝐼2 = 𝐸1 ∗ 𝐼1=

Esta equação nos apresenta a potência mínima que o transformador deve ter para suprir a demanda da

carga, porém, se dimensionarmos o transformador para esta potência, ele irá operar no seu limite de

potência, podendo levar a sobrecarga e resultar em uma falha, devido às variações de operação que a carga

pode estar sujeita, intererências, surtos, etc.

Sendo assim, incrementamos um fator de segurança de operação, K, que nos dá uma margem de operação

maior, deixando o equipamento operar fora de sua região crítica (limite). Para o nosso projeto, utilizamos



um fator de segurança de 30%, (k=1,3), ou seja, o transformador será dimensionado para uma potência 30%

superior à potência demandada pela carga projetada.

Ou seja, a potência no secundário é a mesma no primário (o transformador altera apenas a relação tensão e

corrente, e não a potência).

𝑃 = 12 ∗ 1 ∗ 1,3 = 𝟏𝟓,𝟔 [𝑽𝑨]

3.1.2: Características Técnicas do Transformador

O transformador deve atender aos seguintes requisitos:

Tensão no Primário: 127 [Vca] (rms)

Tensão no Secundário: 12 [Vca] (rms)

Potência do transformador: [15,6 VA]

Relação de Transformação: 0,06677 (abaixador)

3.2 Projeto: Bloco de Retificação

O bloco de retificação tem como principal função filtrar o sinal alternado, transformando-o em um sinal

polarizado, denominado “onda pulsante”.

O sinal entregue pela saída do bloco transformador é alternado, na configuração senoidal, conforme

apresentado na figura 04-a abaixo, este sinal precisa ser retificado, ou seja, precisamos retirar a parte

alternada dele, na figura 04-b observamos um sinal já retificado, chamado de “contínuo pulsante”.

Figura 04-a Figura 04-b

3.2.1 Projeto: Bloco Retificador – DIODO

Esta retificação é possível com o uso de dispositivos semicondutores denominados diodos. Estes

semicondutores possuem como principal característica de operação, a capacidade de “bloquear” ou

“conduzir” um sinal de tensão (e corrente) entre seus terminais, esta característica é obtida pela

configuração química que compõe o diodo, sua rede cristalina de materiais tipo P e tipo N. A união destes

dois materiais, formam uma junção p-n, que a formação básica do diodo, conforme figura 4 abaixo:



Figura 4 -

Devido a repulsão mútua os elétrons livres do lado n espalham-se em todas direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente. (um íon negativo)

Figura 5

Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os ions estão fixo na estrutura do cristal

por causa da ligação covalente. À medida que o número de íons aumenta, a região próxima à junção fica sem

elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção.

Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos

elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até

que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira

de potencial. A 25ºC, esta barreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio. O símbolo mais usual para

o diodo é mostrado a seguir:

Figura 6 - Simbologia do DIODO

O diodo possui duas formas de operação, chamadas de Polarização Direta e Polarização Reversa.

Polarizar um diodo significa aplicar entre seus terminais, uma diferença de potencial.

Polarização Direta: Aplica-se no terminal tipo P do diodo, uma tensão positiva em relação ao terminal tipo n,

de forma que circule corrente elétrica através da junção PN (devido á redução da camada de depleção no

cristal), desta forma o diodo entra em condução e permite a passagem de corrente elétrica.

Polarização Reversa: Aplica-se no terminal tipo P uma tensão negativa em relação ao terminal tipo n, de

forma que o diodo entre em estado de bloqueio, devido ao aumento da camada de depleção na junção pn,

criando uma impedância elevada á passagem de corrente, que tende a zero. O funcionamento do diodo se

dá através destas duas regiões de operação, que confere ao diodo um papel similar ao de uma chave

mecânica, onde, na configuração de polarização direta, o diodo se comporta como uma chave fechada,

permitindo a passagem de corrente e, na configuração de polarização reversa, o diodo se comporta como



uma chave aberta, impedindo a passagem de corrente elétrica entre seus terminais, conforme mostra a

figura 7 abaixo:

Figura 7 - Aproximações do Diodo

Porém, devido à sua barreira de potencial interna (0,7V para diodos de silício e 0,3V para germânio), esta

aproximação do funcionamento do diodo se dá de forma mais similar à representação abaixo, onde

consideramos a queda de tensão interna do diodo (representado pela bateria de 0,7V e a resistência de base

do diodo).

Figura 8 - Aproximações do Diodo

Assim, uma das grandes aplicações do diodo se dá através da utilização destas características de

bloqueio/condução que ele apresenta, utilizado em circuitos retificadores. Seja o circuito apresentado a

seguir e seus gráficos correspondentes.

Figura 9-A Figura 10-B Figura 11-C

A fonte de tensão V1, produz um sinal alternado de tensão, (fig. 9-B) este sinal ora possui uma

componente positiva, ora negativa. A carga R está em série com o diodo D. Quando a fonte de tensão V1

produzir um sinal de tensão positivo (semi ciclo positivo) no terminal anodo do diodo ele estará diretamente

polarizado e entrará em condução, permitindo a passagem de corrente, quando o sinal de tensão da fonte

V1 se inverter, e a fonte passar a produzir um sinal negativo (semi ciclo negativo) de tensão no anodo do



diodo, este entrará em polarização reversa e entrará em bloqueio, não permitindo a passagem de corrente,

assim o sinal de tensão que a carga irá receber, após a “filtragem” do diodo, está representado no gráfico da

fig. 9-C.

Podemos observar pelo sinal de tensão entregue na carga, que a parte “negativa” do sinal senoidal foi

perdida (bloqueado pela polarização reversa do diodo), logo há uma perda de metade da energia disponível

que poderia ser entregue para a carga, sendo assim, a configuração apresentada acima, se apresenta pouco

eficiente para sistemas de retificação.

Para uma maior eficiência de operação, utilizaremos na etapa de retificação, um conjunto de diodos

conectados numa configuração conhecida como “ponte de diodos” ou “retificação onda completa”. Esta

configuração possui um aproveitamento máximo do sinal entregue pelo bloco de transformação,

aproveitando todos os semiciclos da onda senoidal. A construção do bloco retificador de onda completa se

dá com a utilização de 4 diodos conectados em ponte, conforme o circuito apresentado abaixo:

Figura 12 - Ponte Retificadora - Diodos

Analisando o circuito o circuito da figura 12, observamos que os diodos D3 e D2 possuem seus terminais

“catodo” conectados, que estão posicionados para operarem em regime de polarização direta. Já os diodos

D4 e D5 estão posicionados para operarem em regime de polarização reversa, tendo seus terminais de

“anodo” conectados. Para os Diodos D3 e D2, apresentamos os gráficos de operação para os sinais de

entrada e o sinal de saída, observamos que, o sinal de saída, aproveita o ciclo completo do sinal senoidal,

aumentando assim, a eficiência do projeto.

Figura 13 - Gráfico Sinais - Retificador Onda Completa



Para os diodos D4 e D5, observamos o mesmo comportamento, porém como a polarização dos mesmos

é reversa, o sinal resultante será invertido (negativo) pois neste caso, estes diodos estão bloqueando o sinal

positivo entre seus terminais.

3.2.2 Projeto do Bloco Retificador: Especificação dos DIODOS.

Para a especificação dos diodos que serão utilizados na construção do bloco retificador, são necessárias

algumas considerações técnicas:

A Tensão de Pico Inversa (PIV) que os diodos estarão sujeitos (tensão máxima de bloqueio que o

diodo estará sujeito)

𝑃𝐼𝑉 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 ∗ 2 = 2 ∗ 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜

𝑃𝐼𝑉 = 12 ∗ 2 ∗ 2 = 33,40 [𝑉]

𝑉𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 = 0,7 ∗ 2 = 1,4 [𝑉]

A corrente que irá circular em cada diodo (corrente de operação do circuito que a fonte irá

alimentar)

A corrente que irá circular é a corrente demandada pela carga, que para o nosso projeto está

especificado para no máximo 1A. Logo, a corrente nos diodos será a corrente requisitada pela carga

(observe que sempre teremos 2 diodos conduzindo):

𝐼𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 = 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1 [𝐴]

A potência que será dissipada em cada diodo (potência máxima que será dissipada em cada diodo)

Considerando a queda de tensão entre os terminais do diodo, podemos determinar a potência que será

dissipada durante a operação do mesmo:

𝑃𝐷𝑖𝑜𝑑𝑜 = 𝑉𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ∗ 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 0,7 ∗ 1 = 0,7 [𝑊]

Assim, os diodos devem ser determinados com base nas seguintes características técnicas (fator de

segurança de 30% (k=1,3)

Corrente Nominal: 1,3 [A].

Tensão de Pico Inversa (PIV): 33 [V].

Potência Nominal: 0,9 [W].



3.3 Projeto: Bloco de Filtragem

Conforme podemos observar na figura 05, o sinal resultante do bloco retificador não é perfeitamente

contínuo, pois ele possui uma componente pulsante, (que é resultado da onda senoidal de entrada) portanto

torna-se necessário o bloco de filtragem para linearizar o máximo possível este sinal pulsante, tornando-o o

mais próximo possível de um sinal contínuo de tensão (constante no tempo).

Figura 14 - Bloco de Filtragem - Capacitor

O bloco de filtragem atua utilizando a capacidade de armazenamento de carga que os capacitores possuem.

Para realizarmos a filtragem do sinal entregue pelo bloco de retificação, basta inserirmos capacitores neste

ponto, de forma que, quando o sinal de tensão pulsante começar a “subir” o capacitor irá se carregar

chegando ao máximo de carga quando o sinal pulsante atingir seu pico. Após este momento, o sinal pulsante

irá diminuir seu módulo e então o capacitor começará a descarregar a carga armazenada entre seus

terminais de modo a compensar esta redução do sinal pulsante de entrada, assim o capacitor descarrega

toda energia armazenada na carga, reduzindo os efeitos do sinal pulsante. Quanto maior o valor da

capacitância do capacitor, maior será a capacidade dele de manter um sinal “contínuo” na carga.

No gráfico abaixo, podemos observar melhor os efeitos do bloco de filtragem no projeto:

Figura 15 - Sinal bloco filtragem

O sinal em amarelo representa a onda CC pulsante, o sinal cinza representa a componente senoidal que está

sendo retificada e o sinal em azul representa a alimentação da carga. Pelo sinal azul pode-se observar uma



melhoria significativa com relação à tentativa de se deixar a alimentação da carga o mais “linear” possível.

Analisando o gráfico acima, podemos observar que o sinal azul, que é o sinal que o bloco de filtro entrega

para a carga possui uma ondulação, ou seja, ele varia dentro de uma faixa de valores. Esta variação é

chamada de tensão de ondulação, ou “ripple”. Esta tensão de ondulação é determinada pela expressão:

𝑉𝑜𝑛𝑑 =𝐼𝑐𝑐

𝑓 ∗ 𝐶

Assim, percebemos que, para corrigir o ripple do sinal entregue na carga, devemos alterar a capacitância do

bloco de filtragem, já que a corrente e a freqüência normalmente são intrínsecos do circuito (aplicação).

O gráfico abaixo apresenta visualmente a significativa variação do ripple do sinal de saída quando

aumentamos a capacitância do circuito, observe que o sinal em azul está praticamente linar.

Figura 16 - Efeitos da capacitância no bloco de filtragem - redução do ripple

3.3.1 Projeto: Bloco de Filtragem: Especificação do Capacitor

Características do projeto:

Tensão de Saída: 12Vcc

Ripple: <4%

Corrente: 1A.

Diante tais características, podemos dimensionar o capacitor do bloco de filtragem de forma a tender á

demanda do projeto: Sabemos que:

𝐶 =𝐼𝑐𝑐

𝑉𝑜𝑛𝑑 ∗𝑓

onde:

Icc= corrente carga;

Vond: tensão de ondulação;



f=frequência sinal (120Hz para onda completa).

Como o ripple deve ser menor que 4%, isto significa que a tensão de ondulação na carga deve ser

inferior à 4% da Tensão na carga, ou: 4% de 12V = 0,48V. Subistituindo:

𝐶 =1

0,48 ∗ 120= 17,36𝑚𝐹

3.4 Projeto: Bloco de Regulagem

Este é o último bloco que compõe um circuito retificador. Sua necessidade surge do fato de todo sistema

elétrico estar sujeito a interferências e variações (oscilações), em redes de distribuição doméstica e

industriais os valores nominais de tensão da linha podem variar consideravelmente por diversos motivos:

entrada e saída de grandes cargas consumidoras (desbalanceando o sistema), interferências atmosféricas,

falhas de operação de equipamentos de isolação etc. Sendo assim, devemos precaver nosso projeto para

uma entrada variável no bloco de transformação. As próprias concessionárias de energia elétrica estipulam

um valor mínimo e máximo de variação da tensão entregue em nossas residências devido ás perturbações

observadas na rede de distribuição. Como elemento regulador de nosso projeto, temos o Diodo Zener que

possui como principal característica de operação, a tensão fixa na carga.

O diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução

reversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN. Embora o nome diodo Zener tenha se

popularizado comercialmente, o nome mais preciso seria diodo de condução reversa, já que há dois

fenômenos envolvidos o efeito Zener e o efeito avalanche. O diodo Zener difere do diodo convencional pelo

fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de

avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que

é mais notável à tensões relativamente baixas

O diodo Zener pode funcionar polarizado diretamente ou inversamente. Quando está polarizado

diretamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduz, enquanto a tensão aplicada aos seus

terminais for inferior a aproximadamente 0,7 Volts no diodo de silício ou 0,3 Volts no diodo de germânio. A

partir desta tensão mínima começa a condução elétrica, que inicialmente é pequena mas que aumenta

rapidamente, conforme a curva não linear de corrente versus tensão. Por esse fato, a sua tensão de

condução não é única, sendo considerada dentro da faixa de 0,6 a 0,7 Volts para o diodo de silício. O diodo

zener é equivalente a uma fonte de tensão CC, quando operando na região de ruptura, isto é, podemos

considerá-lo como uma fonte CC com uma pequena resistência interna.



A figura ao lado mostra a curva característica de um diodo zener

(gráfico I), onde na região de polarização direta, começa a

conduzir por volta de 0,7V, como se fosse um diodo comum. Na

região reversa, observa-se que na ruptura o joelho (VZ) é

bastante pronunciado, seguido de um aumento de corrente

praticamente vertical. Podemos observar também que a tensão é

praticamente constante (aproximadamente igual a VZ em quase

toda a região de ruptura.

Na figura 18, (abaixo) podemos observar melhor a participação do bloco regulador no circuito de retificação.

Figura 18 - Etapa de Regulação - Diodo Zener

Para o diodo Zener operar de forma a manter uma tensão fixa na saída da fonte (carga), é necessário inserir

um Resistor em série com o circuito, denominado Resistor de zener. As variações de tensão do circuito

ficarão sobre este resistor.

Para determinarmos as condições de operação do circuito, devemos considerar as seguintes propriedades

do diodo zener:

Tensão Zener (que corresponde à tensão de saída da fonte retificadora)

Potência Zener (que corresponde ao máximo de surto que o Zener consegue drenar entre seus terminais)

Corrente de Regulação Máxima e Mínima (que corresponde à corrente máxima e mínima que circula pelo

zener garantindo que ele mantenha a tensão zener constante entre seus terminais.)

Características Técnicas:

O bloco de filtragem entrega para o bloco de regulação um sinal de tensão Vcc com as seguintes

características:

Figura 17 – Gráfico Diodo Zener



𝑉𝑐𝑐 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 −𝑉𝑜𝑛𝑑

2 − 𝑉𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 −𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠

Substituindo temos:

𝑉𝑐𝑐 = 16,97 −0,48

2 − 1,4 = 15,33 [V].

𝐼𝑐𝑐 = 1 𝐴

𝑉𝑜𝑛𝑑 = 0,48 𝑉

3.4.1 Projeto: Bloco de Regulagem: determinação do circuito Zener

A partir destas informações podemos determinar o valor da resistência Zener (Rzener) e levantar os

requisitos mínimos do Diodo Zener a fim de garantir a operação de regulação, mantendo fixa a tensão na

carga. Com as informações levantadas, podemos reduzir o circuito da figura 08 em um circuito mais simples

para a etapa de projeto do regulador zener, neste circuito simplificamos os blocos anteriores ao bloco de

regulação em uma fonte de tensão contendo o valor correspondente entregue pelo circuito anterior.

(Vcc=15,33 [V]).

Figura 19 - Circuito Regulador Zener simplificado

Analisando o circuito da figura 09, levantamos as seguintes informações:

𝑉𝐿𝑜𝑎𝑑 = 𝑉𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 = 12 𝑉𝑐𝑐

Aplicando LKT, temos:

𝑉𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 𝑉𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 − 𝑉𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟

Como o bloco de filtragem entrega uma tensão Vcc de 12,48 [V] com um ripple de 0,48 [V], temos que a

tensão que fica sob o resistor de zener (Rzener) é:

𝑉𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 15,33 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 − 12𝑉 = 3,33[𝑉]

O diodo zener que possui uma tensão de regulação de 12V é o 1N5927B, que possui as seguintes

características de operação:



𝑉𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 =12 [V]

𝑃𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 : 3 [W]

𝐼𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 (𝑚á𝑥) = 125 [𝑚𝐴]

De posso dessas informações podemos dimensionar o Resistor de Zener (Rzener), de forma que o diodo

zener consiga operar em sua região ativa e manter a tensão constante na carga (variando a corrente entre

seus terminais).

𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 =𝑉𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 −𝑚 á𝑥

𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 +𝐼𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 (𝑚 á𝑥) =

3,33

1+0,125= 2,96 [Ω]

𝑃𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 𝑉𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 ∗ 𝐼𝑅𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 (𝑚á𝑥) = 3,33 ∗ 1 + 0,125 = 3,74 [W]

𝑃𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 𝑉𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 ∗ 𝐼𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 (𝑚á𝑥) = 12 ∗ 0,125 = 1,5 [W]

Portanto, o zener 1N5927B atende com segurança aos requisitos de operação do projeto proposto.

3.5 Projeto de uma Fonte Retificadora Regulada – Resumo Técnico.

Após as etapas de análise e levantamento das características de operação de cada bloco constituinte da

fonte retificadora regulada, apresentamos um resumo técnico com os resultados da especificação de todos

os componentes que foram utilizados para o desenvolvimento do projeto, bem como suas características

técnicas. Os requisitos de projeto são:

Tensão de Saída: 12 [Vcc]

Ripple: <4% , ou seja, <0,48 [V]

Corrente nominal: 1 [A].

Assim, podemos conferir se o projeto desenvolvido atende aos requisitos pré-determinados:

Tensão entregue no bloco de regulação:

𝑉𝑐𝑐 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 −𝑉𝑜𝑛𝑑

2 − 𝑉𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 −𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 = 15,33 𝑉

𝑉𝐿𝑜𝑎𝑑 = 𝑉𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 = 12 𝑉𝑐𝑐 ripple = 0%

𝑉𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 = 3,33 𝑉𝑐𝑐

De onde podemos observar que o projeto atende as demandas especificadas. Segue abaixo, uma lista

detalhada das características técnicas de cada componente utilizado no projeto

Transformador (Características Técnicas) (fator de segurança de 30%)

o 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 127 [𝑉]

o 𝑉𝑆𝑎 í𝑑𝑎 = 12 [𝑉𝑟𝑚𝑠 ]

o 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 15,6 [𝑊]

o 𝐼𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑 á𝑟𝑖𝑜 = 1,3 [𝐴]



Diodos Retificadores

o 𝐼𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 1 𝐴

o 𝑃𝐼𝑉 = 33,4 [𝑉]

o 𝑃𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 = 0,7 [𝑊]

o 𝐷𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙𝑕𝑖𝑑𝑜: 1𝑁 5401

PIV: 70 [V]

𝐼𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 3 [𝐴]

𝑃𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 = 2 [𝑊]

Capacitor

o 𝑉𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 = 50 [𝑉]

o 𝐶 = 17,32 𝑚𝐹

o Capacitor Escolhido:

2 x (10mF x 50V)

Diodo Zener

o 𝑉𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 = 12 𝑉

o 𝐼𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 125 𝑚𝐴

o 𝑃𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 1,5 [𝑊]

o 𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 𝐸𝑠𝑐𝑜𝑙𝑕𝑖𝑑𝑜: 1𝑁5913𝐵

𝑉𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 = 12 [𝑉]

𝑃𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 3 𝑊

𝐼𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 125 [𝑚𝐴]

o 𝑃𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 3,74 [W]

o 𝑅𝑅𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 = 2,96 Ω

4 Montagem, Simulação e Análise dos Resultados

Para a realização das simulações, utilizamos o software DesingSoft TINA V8 (versão de testes) dedicado a

projeto e simulações de circuitos eletrônicos. Nas simulações realizadas, o principal objetivo é confrontar os

valores projetados e os valores obtidos com o circuito montado. As simulações foram feitas com base no

circuito da figura 20 a seguir:

Figura 20 - Circuito Utilizado na Simulação



Para a simulação, utilizamos os valores reais obtidos na etapa de projeto. O transformador foi

substituído por uma fonte de tensão CA, senoidal, 12Vca(rms). As Leituras apresentadas nos gráficos abaixo

correspondem a Tensão na Carga, Tensão no Resistor de Zener e Corrente na Carga.

Figura 21 - Resultado das Simulações

Observando o gráfico acima, obtemos os seguintes valores (após o transitório inicial):

𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 : 12 𝑉 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 : 1 [𝐴] 𝑉𝑅𝑍𝑒𝑛𝑒𝑟 = 3 𝑉 ∓ 0,24 𝑉𝑜𝑛𝑑

Ao analizarmos os gráficos plotados, observamos alguns resultados já esperados: A tensão na carga

permanece constante o tempo todo, isso se dá devido ao controle realizado pelo Diodo Zener, que drena as

variações do circuito entre seus terminais, deixando a carga com tensão constante. A corrente na carga

também permanece constante, conforme o especificado no projeto (1A). Observamos uma variação de

tensão no Resistor de Zener, o que está perfeitamente normal, pois o circuito retificador/regulador deixa

passar um ripple de 0,48V, com uma entrada Vcc de 15,33V, ou seja, “sobram” 3,33 volts com uma

ondulação de 0,48V para o zener drenar para seu resistor de controle, a oscilação que observamos no

gráfico do Vrzener se dá pelo ripple residual, que não afeta a carga, visto que ele se encontra 3V acima da

tensão de operação do Zener e da carga! O ripple na carga praticamente nulo.



5 Orçamento de Compra – Execução do Projeto

Todos os componentes foram orçados pela internet, em um site de comércio de componente eletrônicos. O

endereço é www.soldafria.com.br. Os valores foram orçados para a produção de apenas um equipamento,

para o caso de grandes quantidades o preço de custo reduz consideravelmente.

Orçamento:

Transformador 127V/12V/1A: R$ 28,86

Diodos Retificadores 1N5401: 4 x R$0,70=R$2,80

Capacitor 50V x 10mF: 2 x R$12,40 = R$24,80

Diodo Zener 1N5913: R$0,70

Resistor Zener 5W: R$0,50

Frete: R$ 15,90

o Total: R$ 73,56

6 Problemas e Dificuldades encontradas

No desenvolvimento do projeto diversas dificuldades foram encontradas, principalmente pelo fato da pouca

experiência sobre os assuntos tratados na disciplina, visto que não são tópicos “comuns” do curso de

engenharia mecânica. Dos problemas encontrados podemos elencar:

o Falta de prática com os componentes tratados (sem vivência prática), o que dificultou um pouco a

visualização do projeto.

o Dificuldades de implementar o circuito no software SIMETRIX, o que resultou na busca por ajuda e a

utilização de uma outra plataforma (software TINA – versão de teste).

o Necessidade de buscar ajuda com colegas do curso de Engenharia Elétrica

o Alguns dos componentes projetados não são encontrados comercialmente, logo foi necessário a

substituição por modelos comerciais mais próximos.

7 Referências Bibliográficas

SENAI, Apostila Eletronica Básica, 2005 – Equipe Técnica – MG

Unicamp, Colégio Técnico, Apostila de Eletrônica Básica, 2006, Colégio Técnico de Campinas, Campinas,SP.

Boylestad, Robert, e Nashelsky, Louis.Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Rio de Janeiro. Prentice-Hall do Brasil Ltda.

Firmino, Davidson Lafitte, Notas de Aula: Eletrônica, Universidade Federal de São João del-Rei/MG, 2011.

SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4. edição. São Paulo, Makron Books Ltda.,

http://www.soldafria.com.br/

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