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Centro de Educação Tecnológica de Santa Catarina
Curso Técnico de Eletrônica
José Mario Batista Tavella
Fonte Linear Simétrica 12+12 / 750 mA
Florianópolis
2007
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JOSÉ MARIO BATISTA TAVELLA
FONTE LINEAR SIMÉTRICA 12+12V / 750 mA
Florianópolis
2007
Relatório técnico apresentado no curso técnico de eletrônica do Centro de Educação Tecnológica de Santa Catarina CEFET-SC como requisito para a aprovação na disciplina ELETRÔNICA BASICA Orientador: Prof. Clóvis Antônio Petry
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Inteligência é a arte de fazer distinções Autor desconhecido
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RESUMO
O objetivo deste projeto integrador, a construção de uma fonte linear, é
capacitar os discentes a entender o comportamento de tensões e correntes,
utilizando para isso uma, além de, através da manufatura desta, assimilar o
comportamento dos elementos nela utilizados. Para cumprir o objetivo foi
determinada a fonte a ser qual seria projetada – uma fonte simétrica 12+12 /1 A.
A fonte linear em questão transforma a tensão alternada de 220 V para 12
V. Para isso foi usado o transformador que reduz a tensão de 220V para 15V.
No projeto e confecção do protótipo, foram utilizados um transformador,
quatro diodos, quatro capacitores, dois reguladores de tensão, um LED, uma
chave liga-desliga, um resistor, dois dissipadores de calor, dois parafusos, uma
placa de circuito impresso, fios, um fusível, e, finalmente, uma caixa plástica para
acomodação do protótipo.
Todos os materiais usados estão disponíveis no mercado a preços
moderados e para a produção da fonte foram utilizados ferro de solda e estanho,
o software Eagle – gerador de matriz de trilhas de circuito integrado –, alicates,
chaves de fenda e philips e fita isolante.
Os equipamentos utilizados foram adquiridos ou fornecidos pela instituição
a qual designou o projeto. Para a aquisição dos gráficos de ondas foi utilizado o
osciloscópio do CEFET e para a verificação da temperatura nos diodos e
reguladores de tensão foi usa do um sensor térmico. Para análise dos valores de
tensão e corrente nos pontos relevantes foi utilizado um multímetro.
Além do já citado, foram colocados diodos em ponte a fim de retificar a
onda de tensão. Houve a introdução de capacitores de 1000 µF em paralelo, com
o objetivo de diminuir o efeito Riplle. Reguladores de tensão foram utilizados para
regular a tensão de saída, e, por último, colocou-se capacitores de 10 µF, visando
a regularização da tensão em situações de aplicação de carga.
Foi utilizado um LED – Diodo emissor de luz – para identificar a fonte
quando ligada. O resultado obtido no final do projeto foi a existência de tensões
esperadas quando não existe corrente atuando, mas, na existência de corrente,
houve uma queda de tensão, sendo a máxima queda de tensão de
aproximadamente 20%. Com este resultado ficou claro que esta fonte não
sustenta um Ampère de corrente, mas continua eficaz para circuitos onde não é
necessária uma grande precisão na tensão.
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Lista de figuras
Figura 1 – Desenho esquemático de um transformador.......................................10
Figura 2 – Desenho gráfico de um transformador.................................................10
Figura 3 – Desenho esquemático de um diodo.....................................................10
Figura 4 – Representação do diodo.......................................................................10
Figura 5 – Desenho esquemático do capacitor......................................................11
Figura 6 – Representação do capacitor.................................................................11
Figura 7 – Foto de uma PCI...................................................................................13
Figura 8 – Capacitor eletrolítico 1000 F...............................................................16
Figura 10 – Regulador 7812..................................................................................16
Figura 11 – Regulador 7912..................................................................................16
Figura 12 – Diodo...................................................................................................16
Figura 13 – LED.....................................................................................................16
Figura 14 – Resistor...............................................................................................16
Figura 15 – Transformador 220/15+15 1ª..............................................................17
Figura 16 – Dissipador de calor.............................................................................17
Figura 17 – Onda da tensão nos secundários (matriz de contato)........................18
Figura 18 – Tensão média nos secundários.(matriz de contato)...........................18
Figura 19 – Tensão média nos reguladores. (matriz de contato)..........................19
Figura 20 – Tensão antes e após os reguladores (matriz de contato)...................19
Figura 21 – Esquemático da fonte .......................................................................20
Figura 22 – Desenho das trilhas............................................................................20
Figura 23 – Foto da Fonte......................................................................................20
Figura 24 – Onda da tensão nos secundários.......................................................22
Figura 25 – Tensão antes e após os reguladores, e corrente...............................22
Figura 26 – Tensão antes e após os reguladores, e corrente...............................23
Figura 27 – Tensão no capacitor e após o regulador............................................23
Tabela 1 – Tensões em matriz de contato............................................................17
Tabela 2 – Tensões na PCI...................................................................................21
Tabela 3 – Temperatura dos semicondutores.......................................................21
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO....................................................................................................7 2 FONTE LINEAR.................................................................................................9 2.1 Componentes.................................................................................................9 2 .1.1 Transformador...............................................................................................9
2.1.2 Diodo............................................................................................................10
2.1.3 Capacitor ...................................................................................................11
2.1.4 Regulador de tensão....................................................................................12
2.1.5 LED..............................................................................................................12
2.1.6 Chave (0.1)..................................................................................................12
2.1.7 Resistor........................................................................................................12
2.1.8 Dissipador de calor......................................................................................12
2.1.9 Placa de circuito impresso...........................................................................13
2.2 Funcionamento............................................................................................14 3 MONTAGEM DA FONTE................................................................................16
3.1 Montagem em matriz de contato.................................................................17 3.1.1 Formas de onda da fonte em matriz de contato...........................................18
3.2 Montagem na placa de circuito impresso..................................................20 3.2.1 Formas de onda da fonte.............................................................................22 4 CONCLUSÃO...................................................................................................24 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................25 6 ANEXO.............................................................................................................26 6.1 Datasheets ...................................................................................................26
7
1 INTRODUÇÃO
Nos tempos atuais o conhecimento técnico se tornou bastante requisitado
em função do imenso número de máquinas e equipamento cada vez mais
diversos e complexos. Os produtos atuais estão se modificando e automatizando.
A energia elétrica se tornou uma ótima forma de se conseguir, com menor
esforço, produtos mais precisos e eficientes em termos energéticos. O Brasil está
numa conjuntura de aperfeiçoamento em sua tecnologia e se tornou indispensável
a existência de profissionais com conhecimento em eletrônica. Esta, a eletrônica,
é um ramo da elétrica que visa o desenvolvimento, o comportamento e as
aplicações de circuitos e dispositivos eletrônicos.
O objetivo deste projeto é construir uma fonte linear de tensão bem como
verificar seu funcionamento. Abaixo se tem um esquema demonstrativo das
etapas da fonte aqui trabalhada.
A função da fonte em questão é transformar a
tensão elétrica da nossa rede em uma tensão aplicável
para outros fins (como circuitos eletrônicos) criando
assim uma nova fonte de energia elétrica. A tensão da
rede elétrica é muito elevada e para diminuir essa
tensão usa-se um transformador.
O transformador tem uma característica especial
que é transformar tensões. A tensão da rede bem como
após o transformador tem seus valores modificados a
certos intervalos de tempo, como uma onda. Para que
possamos trabalhar com correntes num só sentido
utiliza-se os diodos que
por sua confecção só
deixa passar corrente
num determinado sentido.
Após os diodos são postos capacitores
para que estes possam diminuir a amplitude da
tensão a fim de torná-la mais uniforme.
Rede elétrica
Transformador
Diodos
Capacitor
Capacitor
Regulador
Saída 12+12
8
Depois do capacitor é colocado o regulador que tem uma função
semelhante ao capacitor mas não armazena energia e sim regula a corrente para
que a tensão se estabilize ainda mais e tenhamos um tensão contínua.
Após o regulador é instalado mais um
capacitor para aumentar a estabilização da tensão.
Assim a fonte obtém a tensão contínua, esperada,
como saída.
O trabalho apresentado é dividido em duas etapas. A primeira diz respeito
ao projeto da fonte. Como ela funciona. Quais os componentes nela utilizados., e
como seu comportamento. A segunda etapa constitui a montagem da fonte.
9
2 FONTE LINEAR
Fonte Linear é uma fonte de energia elétrica que tem como saída uma
função contínua para qualquer tempo podendo ser chaveada ou não-chaveada,
de corrente ou tensão. No caso presente fala-se de uma fonte não chaveada de
tensão contínua. Esta fonte sustenta uma determinada tensão com um mínimo de
decréscimo fazendo com que o circuito o qual ela age como fonte seja sempre
abastecido eletricamente a uma tensão constante.
A fonte em questão é uma fonte linear simétrica 12+12 com tensões de
saída +12 V, 0 V, -12V, e corrente máxima de 800 mA.
2.1 COMPONENTES Para a criação desta fonte foi necessário 1 transformador 220/15+15 de 1A, 2
capacitores de 1000 µF x 25V, 4 diodos 1N4007, 1 regulador positivo de
tensão 7812, 1 regulador negativo de tensão 7912, 2 capacitores de 10 µF
x 50V, 1 LED, 1 chave liga-desliga, 1 resistência de 4700 Ω, 2 dissipadores
de calor, placa de circuito impresso, e fios.
2.1.1 TRANSFORMADOR
O transformador (figura11) é um componente formado por duas bobinas
isoladas enroladas em um núcleo feito de material condutor para que este
tenha uma forte influência do campo magnético. A corrente ao passar pela
primeira bobina a qual chamamos de primário cria uma campo magnético.
Por a tensão se alternar entre o pico positivo e o negativo como uma onda
pela lei da indução de Faraday a variação do fluxo magnético cria uma
corrente elétrica. Esta corrente a qual chamamos de corrente induzida é
criada no terminal secundário do transformador de acordo com a fórmula
abaixo. Em que (n) é o número de espiras da bobina e V é a tensão
empregada no primário e secundário
10
2.1.2 DIODO
Diodo (figura 8) é um semicondutor – condutor somente sob certa
tensão nele aplicada – que tem por finalidade filtrar correntes em
determinados sentidos.
O diodo é feito de dois materiais distintos no qual um contém uma carga
positiva (possui menos elétrons que prótons) sendo um cátion e outro
contém mais elétrons que prótons sendo constituído por ânions.
Na junção dos dois materiais ocorre uma neutralização de cargas e esta
barreira só é quebrada sob ação de energia externa, ou seja, só haverá
corrente sob determinada tensão. Sendo assim o diodo é capaz de
estabelecer o sentido da corrente. Este se danifica quando aplicado a uma
tensão reversa maior ao que sustenta.
Figura 1 Desenho esquemático de um transformador
Figura 2 Desenho gráfico de um transformador
Figura 3 Esquema gráfico de um diodo Figura 4a Diodo diretamente polarizado
Figura 4b Diodo reversamente polarizado
11
2.1.3 CAPACITOR Capacitor (figura 7) é um componente que acumula energia num campo
eletrostático. Como é extremamente sensível a variações na tensão ele é usado
na fonte linear como sustentador da tensão distribuindo cargas elétricas a fim de
manter uma mesma tensão. Com isso a tensão sofre uma queda bem menor e
sua onda transforma-se diminuindo a variação da tensão.
Ele é constituído de dois condutores isolados, chamados de armaduras,
separados por um material isolante. O capacitor por ter suas armaduras
separadas por isolante não deixa que passe corrente alguma, salvo se este está
ligado a uma tensão maior da qual suporta. Quando isso acontece é criado um
arco voltaico danificando o capacitor. Ao ligar o mesmo em diferentes potenciais
elétricos uma armadura é carregada eletricamente positiva e outra eletricamente
negativa ocorrendo assim um armazenamento de energia num campo elétrico.
Quando esta diferença de potencial cai, ele se descarrega, por estar sujeito a
uma tensão maior tendendo a sustentar no caso de uma tensão alternada as
tensão de pico.
Figura 5 Esquema de um capacitor
Figura 6 representação de um capacitor
12
2.1.4 REGULADOR DE TENSÃO O regulador de tensão (figura 6) é um componente que tem como função fixar
a tensão em determinado valor. Para isso ele se constitui de três terminais em
que um terminal serve para a entrada da corrente, outro para a saída da corrente
em tensão constante estabelecida pelo fabricante, e um terceira para a saída da
corrente que será desperdiçada para que seja fixada a tensão. Esta corrente vai
direto para o terra criando uma tensão entre o terminal de saída e o de entrada.
2.1.5 LED
LED é uma abreviação em inglês (Light Emitting Diode) que significa diodo
emissor de luz. Ele é um diodo que ao passar uma corrente emite uma luz
acusando esta passagem de corrente. Na fonte ele é usado para identificar que a
mesma está ligada.
2.1.6 CHAVE LIGA DESLIGA
É uma chave de duas posições modificadas mecanicamente sendo que uma
abre e outra fecha o circuito em questão.
2.1.7 RESISTOR É um componente que tem como função resistir à passagem de corrente. Na
fonte é usado para limitar a corrente que passa pelo LED.
2.1.8 DISSIPADOR DE CALOR
É o componente responsável pela dissipação de calor do regulador, que
quando sujeito a uma elevada corrente aquece muito rapidamente.
13
2.1.9 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO
A placa de circuito impresso é formada por fenolite e tem como função
conduzir corrente entre um ponto e outro. Ela é revestida de um lado por material
condutor. Quando já desenhadas as trilhas nas quais passaram corrente ela é
sujeita à corrosão deixando só as trilhas no lado oposto ao que será colocado os
componentes.
Figura 7 Placa de ircuito impresso
14
2 FUNCIONAMENTO
A fonte funciona da seguinte maneira: O transformador de 220 / 15+15
transforma a tensão da rede (220 V) em 15 V positivo e 15 V negativo. A tensão
de pico fica em torno de 21 V e a tensão pico a pico fica em torno de 42V. Depois
da transformação de tensão a mesma continua em onda alternando entre picos
positivos e negativos na mesma freqüência da rede (60Hz).
Depois são colocados os diodos, no pólo positivo é colocado um diodo
polarizado normalmente e no pólo negativo também é colocado um diodo
polarizado normalmente ambos tendo seu terminal de saída o mesmo ponto
elétrico . Assim o diodo localizado no pólo positivo deixa passar somente o ciclo
positivo e o diodo localizado no pólo negativo transfere seu semi-ciclo negativo
como positivo. Os diodos por serem semicondutores trabalham a partir de uma
tensão de aproximadamente 0,7 V provocando uma queda de tensão na faixa de
1,4 V. Na constituição da parte negativa da fonte acontece algo semelhante só
que os diodos são postos com polaridade invertida tanto no pólo positivo quanto
no pólo negativo.
Aí então são postos os capacitores de 1000 micro Faraday em paralelo
entre os pontos após os diodos e o terra. Assim a onda retificada pelos diodos
não obtém uma variação brusca de tensão e possui em tempo qualquer tensão
maior do que os doze Volts da saída. Assim a onda fica pronta para passar pelos
reguladores.
Os reguladores de tensão 7812 para a parte positiva e 7912 para a parte
negativa possuem 3 terminais, entrada, saída, e terra. A entrada é posta no
mesmo ponto elétrico do pólo positivo do capacitor, a saída cria um novo ponto
elétrico e o terra é ligado no terra. O regulador recebe a onda retificada pelos
diodos e transformada pelos capacitores. O regulador então deixa passar
somente 12 V sendo que o restante forma a queda de tensão entre a entrada e
saída do regulador. A corrente que passaria a mais não chega na saída ela vai
direto para o terra deixando o novo ponto elétrico em 12 V.
São introduzidos então os capacitores de 10 micro Faraday em paralelo
entre a saída do regulador e o terra com a função de diminuir o efeito riplle
quando uma corrente esta atuando.
Sendo assim a fonte termina com a tensão desejada +12 / 0 / -12.
15
A parte negativa funciona de modo semelhante à positiva tendo como seu
potencial elétrico maior o terra.
16
• Dois capacitores de 1000 µF x 25 V........................................................R$ 0,68 • Dois capacitores de 10 µF x 25 V...........................................................R$ 0,13
• Um regulador de tensão 7812................................................................ R$ 1,15
• Um regulador de tensão 7912................................................................ R$ 1,15
• Um LED.................................................................................................. R$ 0,19
• Um Transformador 220/15+15 1ª........................................................... R$ 12,90
• Dois dissipadores de calor..................................................................... R$ 0,00
• Cinco fios............................................................................................... R$ 0,00
• quatro Diodos 1N4007........................................................................... R$ 0,05
• dois Parafusos....................................................................................... R$ 0,09
• Placa de circuito impresso................................................................ .... R$ 0,00
• 1 Resistor de 4700Ω...............................................................................R$ 0,03 Os valores são todos unitários e os componentes que não possuem preço foram todos doados por colegas ou pelo próprio CEFET.
3 MONTAGEM DA FONTE
A montagem da fonte foi feita em duas etapas, primeiro foi feita uma
montagem na Prothoboard, a fim de saber se realmente a fonte funcionaria e
depois foi feita a montagem no circuito impresso para a fonte ser concluída.
Componentes da fonte:
Figura 8 Capacitor eletrolítico de1000 µF x 25 V Figura 9 Capacitor eletrolítico de10 µF x 50 V Figura 10 Regulador de tensão 7812 Figura 11 Regulador de tensão 7912 Figura 12 Diodo 1N4007 Figura 13 LED Figura 14 Resistor de 4700 Ω
17
Figura 15 Transformador 220/15+15 1A Figura 16 Dissipador de calor 3.1 Montagem em matriz de contato
Com a fonte montada na matriz de contato foram colhido dedos referente a
tensão entre principais pontos elétricos
Tensão em matriz de contato
sem carga (Volts)
½ carga (Volts)
Tensão no 1º (rms) secundário +15 / 0
14,4
11,9
Tensão no 2º (rms) secundário 0 / -15
14,4
11,9
Tensão no Capacitor 1 (positivo)
19,51
14,09
Tensão no Capacitor 2 (negativo)
19,62
14,36
Tensão no terminal de saída positivo +12 / 0
12,05
12,03
Tensão no terminal de saída negativo 0 / -12
12,25
12,24
Tensão entre os dois terminais +12 / 0
24,30
24,27
Tabela 1 Tensão nos principais pontos elétricos
18
3.1.1 Ondas na matriz de contato
Figura 17 Onda da tensão no secundário positivo Canal 1 Onda da tensão no secundário negativo Canal 2
Figura 18 Tensão média no secundário positivo (Canal 1) Tensão média no secundário negativo (Canal 2)
19
Figura 19 Tensão entre os terminais de entrada e saída do reg. 7812 (canal 1) ; Tensão entre os terminais de entrada e saída do reg. 7812 (Canal 2)
Figura 20 Tensão antes do regulador positivo (ref. 1) Tensão antes do regulador negativo (ref. 2) Tensão após do regulador positivo (Canal 1) Tensão após do regulador negativo (Canal 2)
20
3.2 Montagem na PCI A montagem na PCI aconteceu da seguinte maneira: Foi feito um
esquemático no software (Eagle) e desenho das trilhas da PCI no mesmo
programa
O desenho das trilhas foi feito de maneira a
utilizar o menor espaço possível entre os
componentes. As trilhas compõem um lado da placa e
os componentes são colocados no outro.
Foi então a partir do método de passar roupa desenhadas as trilhas
na PCI. Depois foi feita a corrosão esta realizada no próprio CEFET.
Figura 21 Esquema da fonte gerada por software EAGLE
Figura 22 Desenho das trilhas gerado por software EAGLE
Figura 23 Fonte
21
Os valores das tensões bem como das temperaturas registrados estão
descritos nas tabelas abaixo.
Tensão na placa de circuito impresso
sem carga (Volts)
½ carga (Volts)
Carga completa
Tensão no 1º (rms) secundário +15 / 0
14,4
11,9
10,71
Tensão no 2º (rms) secundário 0 / -15
14,4
11,9
10,75
Tensão no Capacitor 1 (positivo)
19,51
14,09
13,08
Tensão no Capacitor 2 (negativo)
19,62
14,36
13,23
Tensão no terminal de saída positivo +12 / 0
12,05
12,03
10,71
Tensão no terminal de saída negativo 0 / -12
12,25
12,24
10,79
Tensão entre os dois terminais +12 / 0
24,30
24,27
21,51
Temperatura ºC Regulador 7812
Regulador 7912
Diodos
½ carga 36 ºC 38 ºC 32 ºC
Carga completa 47 ºC 44 ºC 36 ºC
Tabela 2 Tensão nos pontos da placa
Tabela 3 Temperatura dos componentes
22
3.2.1 Ondas registradas por osciloscópio
Figura 24 Onda da tensão no secundário positivo Canal 1 Onda da tensão no secundário negativo Canal 2
Figura 25 Tensão antes do regulador 7812 (Ch1) Tensão após o regulador (Ch2)m; Corrente (Ch3) Dados de teste com ½ carga
23
Figura 26 Tensão antes do regulador 7912 (Ch1) Tensão após o regulador (Ch2); Corrente (Ch3) Dados com teste com ½ carga (parte negativa)
Figura 27 Tensão no capacitor de 1000 micro Faraday (Ch1) Tensão após o regulador (Ch2) Testes realizador com ½ carga
24
Conclusão
A partir dos testes efetuados foi constatado que a fonte, que a princípio
teria uma corrente máxima de 1A , não obteve este valor de corrente como
máxima, mas sim 771mA. A fonte projetada mostrou-se então eficaz para cargas
de resistência acima de 24 Ohms mantendo uma queda de tensão de menos de
10%. Já para cargas menores ela deixa de ser tão eficiente tendo uma queda de
tensão entre (10 e 20) % não sustentando corrente maior que 750 mA. Portanto
ela é recomendada para circuitos que não precisem de uma forte precisão em
relação à tensão e que não necessitem de uma corrente elevada.
25
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.datasheetarchive.com acessado em 8/07/2007 http://www.epcos.com/inf acessado em 8/01/2007 http://www.cefetsc.edu.br acessado em 8/01/2007 HALLIDAY, D.; HESNICK, R.; KRANE, K.S. – Fisica 3 4 ª Edição MALVINO, A. P. – Eletrônica Vol 1 4 ª Edição
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Anexo Datasheets dos componentes envolvido no preparo da fonte
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28
29
30
31
32
33
34
35
DIODO 4007
36
37
Capacitor eletrolítico
38
39
40
41
42
