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.