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INTRODUÇÃO
O objetivo deste trabalho prático da construção de fontes de alimentação lineares é
aprimorar os conhecimentos adquiridos sobre semicondutores e fontes de alimentação,
implementando um dispositivo que possa ser utilizado em uma bancada pessoal de
trabalho.
O projeto é composto de duas partes distintas:
· Fonte variável de tensão, de 3V até 13V, com corrente nominal de 2A;
· Fonte simétrica de +5V e -5V, como corrente nominal de 1A.
Ambas as fontes tinham que possuir proteção e sinalização contra curto-circuito.
FONTE DE ALIMENTAÇÃO
REGULADA COM SAÍDA VARIÁVEL
Esta etapa trata da primeira parte do projeto que descreve a projeção e montagem da
Fonte de Alimentação com Saída Variável.
A saída devera variar de 3V a 13V, com corrente máxima igual ou superior a 2A,
limitação automática de corrente, proteção contra curto-circuito e sinalização. Dentre as
especificações, foi explicitado que não poderíamos utilizar Circuitos Integrados, apenas
componentes discretos.
Segue abaixo o modelo básico de estruturação de uma fonte com regulagem de tensão:
Descreveremos agora cada um dos blocos do modelo e como implementamos no
circuito:
· Fonte de Tensão e Corrente Continua: é a fonte da energia que pretendemos controlar.
Pode ser estruturada com um transformador (redutor de tensão) seguido de uma ponte
retificadora estruturada com diodos.
· Referencial de tensão: é a parte do circuito que ira informar ao sistema qual a tensão
inicial a ser regulada e fornecer uma corrente para a regulação, além de ajudar a
polarizar o amplificador de erro. Utilizaremos no nosso circuito chamado de gerador de
corrente constante, que utilizará um transistor, controlado por um divisor de tensão, com
um resistor.
· Amplificador de Erro: Parte do sistema que ira “gerenciar” o controle do regulador.
Através do referencial de tensão fornecerá corrente ao regulador e terá uma referencia
de saída através da amostra de tensão de saída.
· Regulador: Principal componente da fonte. Transistor que irá regular toda a corrente e
tensão do sistema.
· Amostra de tensão: conjunto que “informa” a tensão de saída para o amplificador de
erro, independente da carga aplicada na saída. Usaremos um conjunto de resistências e
potenciômetro para construir este conjunto.
· Carga: Consumidor final da energia regulada. Para testes utilizamos diversos tipos de
resistências.
Vamos projetar cada bloco por vez, para depois termos o todo. Agora visamos somente
a fonte, sem o circuito de proteção e sinalização.
Segue abaixo diagrama:
No diagrama acima temos:
Vs1 – Fonte Vcc com 18V;
D2 – Diodo Zener para referencia de tensão;
R1 – Resistor pra polarização do D2;
R2 – Resistor para definir uma corrente do Amplificador de Erro;
Q1 – Transistor que controla a corrente do Amplificador de Erro;
R3 – Resistor para polarizar Q3 e D1 em caso de curto-circuito;
Q2 – Transistor Darlington que tem a função Reguladora;
Q3 – Transistor que tem função de Amplificador de Erro;
R4 e R5 – Resistores que tem função amostra de tensão;
P1 – Alem de regular a tensão, ajuda na amostra de tensão;
D1 – Diodo Zener polariza e referência tensão para Q3;
Carga – Resistor utilizado para simular carga.
O Q2 precisa de uma corrente reguladora na base para poder regular o emissor. Corrente
essa que é fornecida por R2 e controlada Q1. D1 e R1 fornecem corrente para Q1.
Q3 controla o excesso da corrente que não é absorvida pela base de Q2. O controle de
Q3 é feito com a corrente em sua base, proveniente do P1.
P1 faz parte do conjunto de resistências que compõe a Amostra de Tensão, juntamente
R4 e R5. R4 que é dimensionado de acordo com a tensão no emissor de Q3.
A tensão no emissor de Q3 é definida pelo D1. Que conseqüentemente irá definir a
tensão mínima da saída da Fonte Reguladora.
Dimensionamento do Regulador
Para dimensionar o regulador (Q2) usaremos as especificações de tensão e corrente da
fonte:
· Tensão: 3V até 13V;
· Corrente mínima: 2A.
Dessa forma temos uma potencia máxima de 26W. Potência esta que é suprida pela
maioria dos “TIPs”, porem para utilizar uma corrente de comando menor, utilizaremos
um “Darlington”, pois tem um ganho grande e exige uma corrente de base baixa.
Ø Componente escolhido: TIP 141
Ø Componente disponível semelhante: TIP 142
Para 2A no emissor de Q2 precisamos de 2mA na base pois β=1000.
Dimensionamento do Amplificador de Erro
O amplificador de erro irá desviar a corrente da base do Q2, proveniente da fonte de
corrente constante, para que ocorra a devida regulagem. E irá desviar ≈50x a corrente de
base de Q2.
Como dados teremos:
Corrente Máxima: ≈50x 2mA = 100mA
Para ter uma resposta mais rápida usaremos um transistor 2N3055 que tem um β=20-70.
Utilizamos β≈50.
Ø Componente escolhido: 2N3055
No emissor iríamos usar um Diodo Zener, para polarizar o transistor, porem o menor
diodo Zener que disponibilizamos é o 1N4728 que tem uma tensão de 3V3. Como a
tensão de emissor, deste transistor, mais a tensão do transistor definem a menor tensão
no circuito, optamos por utilizar dois diodos 1N4001 em serie, desta forma teríamos
2V1 na base do Q3.
Ø Componente escolhido: 2x 1N4001
Dimensionamento da Fonte de Corrente Constante
Fonte de corrente constante é parte do conjunto de referencia de tensão. E irá fornecer
uma corrente constante para o Q2(regulador).
Como existe a necessidade de uma corrente polarização maior, para que haja a
regulação com o amplificador de erro, usaremos uma corrente de emissor ≈50x a
corrente na base de Q2.
Corrente Base Q2: 2mA
Corrente de gerador de corrente-constante: ≈50x 2mA ≈ 100mA
Primeiramente dimensionaremos o D2, para saber a tensão aplicada em R2. Para termos
uma tensão mínima na entrada, o d@ terá uma tensão de 10V, pois na pior das hipótese,
acreditamos que não teremos menos de 10V na entrada.
Ø Componente escolhido: 1N4740.
Vamos dimensionar primeiramente R2 que tem uma tensão aplicada de 10V.
Por tanto, se temos a corrente e a tensão, acharemos facilmente a resistência:
· R = E / I, logo, 15V2 / 50mA = 330Ω
Desta forma escolhemos
Ø Componente escolhido: R 330Ω (10W).
Uma vez que já temos o resistor fica fácil escolher o transistor, pois temos a corrente.
Para não trabalharmos com uma corrente alta na pré-regulação optamos por um β≈150.
· 100mA / 150 ≈ 0,7mA
Assim foi fácil definir o transistor.
Ø Componente escolhido: BC638.
Dimensionamento da Amostra de Tensão
A amostra de tensão serve para alem de regular a corrente no amplificador de erro.
A corrente na base de Q3 deve:
Corrente Base Q2: 2mA.
Por tanto para termos uma resposta mais rápida atribuímos uma corrente de ≈5x nos
resistores que irão amostrar a tensão.
A tensão máxima seria 13V, e a mínima seria 3V. Por tanto nosso dimensionamento
deve atender às duas situações e todas as intermediarias, desta forma utilizamos 3
resistores fixos e um potenciômetro para cobrir todo o intervalo.
Corrente na referencia em 3V: 10mA.
Tensão aplicada na base de Q3: 2,1V
Diferença de tensão aplicada e tensão na base: 0,9V
Por tanto para termos estas tensões e corrente de 10mA, precisaremos de:
Ø Componente escolhido R4: 90 Ω.
Ø Componente escolhido R5: 210 Ω.
Ø Componente disponível semelhante R4: 100 Ω
Ø Componente disponível semelhante R5: 220 Ω.
Dimensionamento da Proteção
Conforme foi exigido, a fonte deveria ter uma proteção de curto-circuito, com
sinalização:
Corrente de Curto-Circuito: 2A
Por tratar-se de uma fonte regulado por transistor, iremos desviar a corrente de base do
regulador para caso de Curto-Circuito.
Tendo uma corrente de C-Ckt baixa, usaremos um simples transistor para desvio desta
corrente.
Ø Componente escolhido R5: BC337
Como esta proteção é mais eficaz com controle na saída, colocamos em serie com a o
Regulador um resistor, antes da amostra de tensão. Quando o resistor estiver transpondo
2A (corrente definida de C-Ckt) sua queda de tensão deve ser 0.7V, tensão que o
transistor escolhido entra em funcionamento:
Ø Componente escolhido resistor proteção: 0,33 Ω (10W)
Para comandar a sinalização de C-Ckt, precisamos de uma corrente maior, por isso
utilizamos um transistor que tem um ganho maior, neste caso algo próximo de β≈500.
Ø Componente escolhido: BC548
Para a sinalização propriamente dita utilizaremos um LED e um resistor de 820 Ω que
desencadeia uma queda de tensão de 16V, e fornece para o led uma corrente de 2mA.
Ø Componente escolhido: LED
Ø Componente escolhido: 800 Ω
Ø Componente disponível semelhante: 820 Ω
Desta forma a priori teremos o seguinte circuito com os seguintes componentes e as
respectivas correntes.
Dimensionamento da Proteção
Foi exigido uma sinalização com as seguintes características:
- se VO < (6V ± 5%) acenderá um Led vermelho;
- se VO > (12V ± 5%) acenderá um Led verde;
- se (6V ± 5%) < VO < (12V ± 5%) acenderá um Led amarelo.
As sinalizações para os níveis de tensão foram feitas sempre tomando como referência a
tensão na saída, porque é ela que determina quais Leds deverão acender. Optamos por
fazer com que à medida que a tensão fosse aumentando, os Leds fossem ligando, sendo
que no fim (com VO > 13V) todos os três estivessem acesos.
O funcionamento é bastante simples, utilizamos diodos zener como referência, sendo
que quando a tensão na saída atingisse esse valor, transistores serão polarizados fazendo
com que os Leds acendam. Como para todos os transistores a corrente de coletor será a
corrente do Led, utilizamos o mesmo transistor da sinalização contra curto e o mesmo
cálculo do resistor.
Então, os circuitos de sinalização ficaram desta maneira:
O circuito da fonte, após todas as modificações, e sem o circuito acima, que é ligado
diretamente à saída da fonte, sendo usado apenas para fim ilustrativo, ficou desta
maneira:
FONTE COM SAÍDA FIXA
Consiste em uma fonte simétrica com saída de +5 a -5 volts que forneça uma corrente
igual ou superior a 1 ampere e que sinalize caso ocorra um curto-circuito na saída.
Modelo da fonte:
O modelo da fonte está representado na figura abaixo.
onde:
±Vcc = tensão de alimentação da fonte;
QI = transistores que definem as correntes de saída;
Zfc = Zener de referência de tensão para a fonte de corrente;
Regulador = circuitos integrados reguladores de tensão.
Definições no circuito:
Antes de realizar cálculos alguns valores e componentes devem ser definidos.
A figura a seguir define as correntes no circuito.
onde:
I1 = corrente necessária para manter Zfc na faixa de operação;
I2 = I1 – I3. Como I3 ≈ 0, I2 ≈ I1;
I3 = corrente de base de Qfc;
I4 = I5;
I5 = I7 + I8. Como I8 só existe caso I6 tente ultrapassar 1A, então I5 = I7;
I6 = corrente aplicada na carga = 1A.
I7 = corrente de base de Qi;
I8 = corrente que desvia da base de Qi, diminuindo assim I6;
I9 = corrente no LED = 20mA;
I10 = corrente de base de Qlm;
Definidas as correntes é possível definir alguns valores e componentes do circuito:
Vcc = +18V. Valor escolhido por ser maior que a tensão máxima de saída mas não
muito alto.
Cálculos
A partir dos parâmetros, correntes e componentes definidos é possível calcular o
restante dos dados:
Fonte de corrente
A fonte de corrente é um circuito que fornece uma corrente estipulada, que nesse caso é
a I4. Portanto, para se dimensionar a fonte de corrente, é necessário saber o valor de I5.
Como I5 = I7 + I8, I8 = 1A / BccQi, I8 = 2A / 45 = 44mA.
Como a tensão em Rfc1 é a tensão do Zfc1 – 0,7 (tensão Veb do Qfc1), então a tensão
em Rfc1 = 4,3 – 0,7 = 3,6V e a corrente nele é 44mA. Portanto Rfc = 4,3V / 44mA =
100Ω. Sua potência é 4,3V . 44mA . 2 = 0,38 W.
Considerando I1 = 41mA por ser um valor que mantém o Zener na faixa de regulação,
Rzfc1 = (Vcc – VZfc1) / 41mA = (18V – 4,3V) / 41mA = 330 Ω e sua potência é 13,7 .
41mA . 2 = 1W.
Portanto esses são os valores dos componentes da fonte de corrente do circuito.
Limitação de corrente:
O princípio do limitador de corrente é o seguinte. Com o valor da corrente máxima que
poderá passar por ele, dimensiona-se o resistor R1i para que a tensão sobre ele seja
menor ou igual a 0,7V, pois assim o transistor Qlm1 não polariza e a corrente I8 não
existe. Quando a corrente sobre Ri1 ultrapassar o limite a tensão sobre ele aumenta e
polariza Qlm1, que passa a conduzir e I8. Assim I7 diminui, fazendo com que a corrente
I6 diminua, assim como a tensão sobre Ri1, fazendo Qlm1 cortar e I8 deixar de existir
novamente.
Portanto, sabendo que I6 = 1A, Ri = 0,7V / 1A = 0,7 Ω. Escolhendo Ri = 0,47 Ω por ser
um valor comercial, então I6 = 1,4A e a potência de Ri = 0,7V . 1,4A . 2 = 1,96W.
Sinalização de curto-circuito
Foi executado da mesma forma que o sinalização da fonte fixa.
Circuito resultante
Com as definições e os valores calculados o circuito final fica assim:
CONCLUSÃO
Este trabalho foi muito produtivo, pois tivemos que pesquisar em diversas fontes para
atingirmos nossos objetivos. Foi usado todo o conteúdo, desde a parte de diodo até a
matéria final sobre reguladores.
Podemos notar também que na prática alguns valores diferem do calculado, é o caso dos
transistores, pois alguns apresentavam seu β comuma variação grande e geralmente
difere do valor de media alem de uma tensão entre base e emissor com um valor um
pouco inferior a 0,7 V (em torno de 0,65 V), o que necessitou de uma pequenas
alterações no circuito como um todo.
Outra tarefa, que exigiu bastante pesquisa e concentração, foi a falta de alguns
componentes no comércio e no laboratório, e por isso tivemos que adaptar as fontes da
melhor forma possível.