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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO JOO DEL REI
MINAS GERAIS
ENGENHARIA MECNICA
ELETRNICA
RODRIGO JUNIO PEREIRA DE BARCELOS
PROJETO E SIMULAO DE UMA FONTE REGULADA DE TENSO
SO JOO DEL REI
JUNHO, 2015
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SUMRIO
1 INTRODUO............................................................................................................. 4
2 OBJETIVOS................................................................................................................. 4
3 CIRCUITOS RETIFICADORES DE TENSO....................................................... 5
4 PROJETO DA FONTE DE TENSO REGULADA................................................ 7
4.1 Clculo dos Componentes.................................................................................... 8
5 MONTAGEM E SIMULAO NO CIRCUITMAKER......................................... 10
6 CONCLUSO............................................................................................................... 13
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................... 14
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Diagrama de Blocos de uma Fonte de Alimentao CC .......................................... 5
Figura 2 - Retificador de Meia Onda com Filtro ........................................................................ 6Figura 3 - Capacitor, Resistor e Diodos do Circuito Projetado .................................................. 9Figura 4 - Retificador de Meia Onda com Filtro Projetado ...................................................... 11
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1. INTRODUO
A maioria das atividades exercidas pelo homem esto atreladas Energia Eltrica. Tanto
para o acendimento de uma simples lmpada quanto para a operao de maquinrios
complexos, se faz necessrio se entender os conceitos de Tenso (V), Corrente (I) e Resistncia
(R) e como essas variveis esto atreladas.
Normalmente, a Energia Eltrica fornecida aos domiclios, fbricas, escolas e hospitais,
chega aos nossos conectores (tomadas) na forma de corrente alternada (CA), que uma corrente
eltrica cujo sentido varia no tempo, normalmente sob uma forma de onda senoidal. No entanto,
algumas aplicaes, como por exemplo em mquinas de solda, no qual a qualidade da junta
soldada e dos cordes depende fortemente da corrente disponvel na mquina, as variaes desinal caractersticos da CA so prejudiciais, sendo ento necessria a manuteno de uma
corrente contnua (CC). A CC mantm o fluxo dos eltrons de forma ordenada sempre na
mesma direo, de forma constante no tempo.
Assim, se faz necessrio a utilizao de equipamentos que permitam a converso da CA
convencional para CC. Esses equipamentos so os Retificadores de Tenso, que para tal,
apresentam em sua constituio, um Circuito Retificador, que tem como funo receber a
tenso de alimentao da rede eltrica em CA 60 [Hz] e entregar uma tenso VS [V] em CCque deve ser o mais constante possvel, apesar das variaes na tenso de linha e na corrente
drenada pela carga (SEDRA e SMITH, 2005).
Nesse trabalho, busca-se apresentar um modelo de retificador de tenso, seus componentes,
modelagem matemtica e o projeto de um sistema dessa natureza, com a simulao de seu
comportamento via Software.
2.
OBJETIVOS
Projetar e simular computacionalmente uma Fonte Tenso Regulada (Retificador de
Tenso). necessrio que essa fonte seja capaz de fornecer a tenso VSde valor correspondente
ao ltimo dgito da matrcula do aluno (para valores menores que 3, utilizar 3V como tenso de
sada) e seja capaz de suprir uma corrente de 25 mA.
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3. CIRCUITOS RETIFICADORES DE TENSO
O diagrama de blocos ilustrado na Figura 1 mostra as componentes bsicos de um circuito
retificador. Esse circuito possui basicamente quatro etapas, sendo elas a etapa transformadora,
a etapa retificadora, a etapa de filtragem e, por ltimo, a etapa de regulagem da tenso de sada
VS (na Figura 1, VS equivalente VO).
Figura 1 - Diagrama de Blocos de uma Fonte de Alimentao CC (Fonte: SEDRA e SMITH, 2005)
a) Etapa Transformadora: o equipamento responsvel por essa etapa o
Transformador de Potncia. Ele consiste em duas bobinas enroladas separadamente
em um ncleo de ferro (SEDRA e SMITH, 2005). O enrolamento primrio tem N1espiras e o enrolamento secundrio N2. Baseando-se na equao 1, possvel ento
determinar a tenso vs.
=
b) Etapa Retificadora: seu principal componente o diodo. Ele converte a solenoide
da entrada vs em uma sada unipolar (unidirecional), que pode ter uma forma
pulsante. Embora a tenso de sada do diodo tenha um valor mdio, as pulsaes
que por ventura ocorrem so inconvenientes aos equipamentos. Da a necessidade
da utilizao de filtros.
c) Etapa de Filtragem: A filtragem nivela a forma de onda na sada do retificador
tornando-a prxima de uma tenso contnua pura. A maneira mais simples de
efetuar a filtragem, ligar um capacitor de alta capacitncia em paralelo com a
carga. Sua funo reduzir a ondulao e quanto maior for a capacitncia, menor a
ondulao na sada da fonte.
d)
Etapa de Regulagem de Tenso: onde ocorre a adequao da tenso que ser
aplicada na carga (VS). Essa etapa tambm realizada por um diodo, mas com
Eq. (1)
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caractersticas diferentes. O diodo conhecido como diodo Zener. Este diodo, como
pode ser visto em Sedra e Smith (2005), quando polarizado reversamente, pode ser
usado como regulador de tenso.
Existem diversos tipos de retificadores de tenso, como o retificador de meia onda,
retificador de onda completa, retificador de meia onda com filtro capacitivo, dentre outros, que
seguem a mesma lgica e realizam as etapas supracitadas de forma semelhante. As equaes
para onda completa so as mesmas utilizadas para meia onda, no entanto, a frequncia de
ondulao para onda completa de 120 Hz.
Para a elaborao e simulao do projeto, no presente trabalho utilizou-se de um
Retificador de Meia Onda com Filtro Capacitivo. Esse tipo de retificador utiliza metade dossemiciclos da solenoide de entrada (semiciclo Positivo). O filtro utilizado ajuda a manter a
tenso regulada na sada mais constante, como pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 - Retificador de meia onda com filtro (Fonte: Notas de Aula)
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No semiciclo positivo o diodo conduz e carrega o capacitor com o valor de pico (VP) da
tenso. Assim que a tenso de entrada cair a Zero, o diodo para de conduzir e o capacitor
mantm-se carregado e descarrega lentamente em RL. Quando a tenso de entrada fica negativa
(semiciclo negativo) o diodo no conduz e o capacitor continua descarregando lentamente em
RL. O capacitor recarrega 60 vezes por segundo, devido frequncia da rede de 60 Hz.
4. PROJETO DA FONTE DE TENSO REGULADA
Baseando-se no modelo ilustrado na Figura 2, elaborou-se o esquema do circuito retificador
no software CircuitMaker, onde inseriu-se os valores de referncia para o diodo Zener
empregado, conforme orientao descrita na seo Objetivos, bem como outros valores
necessrios, previamente calculados e descritos na sequncia. Posteriormente, via software
foram obtidas as curvas de performance. A tabela a seguir (Tabela 1), mostra os valores de
entrada do projeto. Alguns valores utilizados foram assumidos pelo autor, de forma condizente
aos disponveis na literatura de referncia, sobretudo constantes na referncia bibliogrfica [1].
Tabela 1. Dados de Entrada do Projeto
Varivel ValorTenso de Sada Regulada [VS] 3V
Corrente Mxima na Carga [Imax] 25 mA
Corrente Mnima no Diodo** [Izmin] 5 mA
Tenso da Rede* [VP] 150 V
Relao de Espiras (N1/N2)* 10
Tenso de Pico Transformada [VP] 15 V
Frequncia da Rede [f] 60 HzFator ripple* [VR] 1 V
Queda de Tenso do Diodo [VD] 0,7 V
*Valores Arbitrados pelo Autor
** Assumindo uma corrente mnima suportada pelo diodo como 1/5 da corrente mxima na Carga
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4.1.Clculo dos Componentes do Sistema
A) Diodo Zener
O valor de Tenso de Sada Regulada (VS) para o autor, de final de matricula Zero 3V.
Assim, deve-se encontrar um diodo Zener fabricado com essa capacidade de tenso. Pelo
catlogo do fabricante, onde encontra-se aData Sheet do diodo, o diodo de capacidade nominal
mais prxima apresenta VS= 3,3V. A tabela a seguir (Tabela 2) a Data Sheetdo diodo.
Tabela 2. Folha de Dados do Diodo Zener (Fonte: http://www.diodes.com/datasheets/ds18007.pdf)
O modelo do diodo o 1N4728A, que como caractersticas principais apresenta uma tenso
nominal VZS = 3,3V, uma corrente IZ = 76 mAe uma impedncia RZ= 10.
B) Tenses
Para garantir um valor de Tenso de Sada de 3,3V necessrio que se tenha uma tenso
transformada VPsuficientemente grande para compensar as quedas de tenso na resistncia, no
diodo e no capacitor. Como a relao de espiras (N1/N2 = 10) encontra-se disponvel nos
modelos de transformadores dosoftwaree segundo a literatura, uma tenso de 15V suficiente
para compensar as quedas mencionadas anteriormente, a tenso de pico da rede (VP) deve ser
de 150V e a tenso de pico transformada (VP), que atravessa o diodo deve ser 15V.
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C) Resistncia R1
No modelo de retificao de meia onda com filtro, semelhante ao circuito mostrado na
Figura 2, existe uma resistncia R1 localizada numa malha com um Capacitor C1 e com o diodo
Zener, como mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Capacitor, Resistor e Diodos do Circuito Projetado
A determinao dos valores dos componentes feita como se segue.
=
= 3,3 76 10 10
= ,
=
= 15 0,7 1
= ,
Conhecendo-se os valores acima e substituindo-os na Eq. (4) possvel determinar o valor
da resistncia .
=
+
=13,3 2,54 10 5 10
(5 + 2 5) 10
= = ,
Aps a determinao do valor da resistncia, necessrio tambm realizar o clculo da
capacitncia do capacitor empregado no circuito retificador. Esse valor pode ser conhecidolanando-se mo da Eq. 5.
Eq. (2)
Eq. (3)
Eq. (4)
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10
=
= 15
6 0 3 5 7 1
= 0,001 10 = 700,28 700
=
Por razes de segurana e garantia da operao correta do sistema, usualmente considera-
se um fator de segurana (FS) para a capacitncia. Um procedimento comum para projetos
dessa natureza o de adotar FS = 2. Assim tem-se, pela equao (6):
=
= 700 2
= = 700 2 = 1400
=
Finalmente, conhecendo-se todos os valores de interesse para montagem do circuito
retificador, o mesmo pode ser montado no sistema, para posterior simulao, coleta deresultados e anlises.
5. MONTAGEM E SIMULAO NO CIRCUITMAKER
Conforme fora mencionado anteriormente, o modelo de retificador empregado pelo autor
o retificador de meia onda com filtro. Adicionalmente, existe uma carga, pela qual deve passar
uma tenso de aproximadamente 3V (3,3V nominal) e uma corrente mxima de 25 mA. Com
auxlio da Lei de Ohm (Eq. 7) e dos paramentos citados possvel calcular o valor dessa carga
(ou resistncia).
=
= =
=
3,3
25= 132
=
O desenho do circuito mostrado na figura 4 e nele podem ser percebidos os componentesresponsveis por cada etapa descrita no item 3.
Eq. (5)
Eq. (6)
Eq. (7)
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Figura 4 - Retificador de Meia Onda com Filtro Projetado
As curvas obtidas pela simulao do circuito da Figura 4 so mostradas seguir.
i.
Tenso da Rede (Alimentao em CA)
ii. Tenso da Etapa Transformadora
Nos doisspectros possvel identificar a natureza alternada da corrente da rede, com sua
forma senoidal, oscilando no tempo e com picos de amplitude nos valores definidos.
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iii. Etapa Retificadora
Como esperado, nessa etapa a Corrente Alternada abaixada e apresenta-se de formaconstante, assumindo um comportamento de CC, quase sem pulsao.
iv. Filtragem
Devido alta capacitncia do capacitor, que atua como filtro, pode-se notar umspectro com
pouca oscilao, onde se percebe que a corrente assume a configurao CC.
v. Etapa Reguladora (Tenso de Sada Regulada)
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Pode-se perceber pelospectroque o projeto da fonte reguladora foi eficiente, uma vez que
a tenso de sada muito prxima a tenso de sada nominal de 3,3V.
vi.
Corrente Mxima Suportada
Pode-se perceber que a corrente se 22,5 mA menor que a corrente mxima de operao
da carga de 25 mA, no comprometendo os componentes.
vii. Potncia na Carga
O valor de potncia obtido condizente com o obtido pela frmula ( = ),
considerando o valor de carga calculado na Eq. (7)
6. CONCLUSO
Ao se analisar osspectros,podemos concluir que a fonte reguladora de tenso com filtro
capacitivo foi projetada corretamente, uma vez que os valores e curvas encontrados por meiode simulao esto de acordo com os modelos propostos nas literaturas disponveis.
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A tenso de sada est mantida constante e corresponde aos valores desejados no incio do
projeto, bem como a corrente mxima na carga.
O diodo regular (no o Zener) aplicado, pouco influi na performance do circuito.
Osoftware utilizado bastante amigvel com os usurios, podendo ser utilizado at mesmo
por leigos e pessoas inexperientes.
O trabalho proposto foi extremamente interessante, permitindo aos alunos a visualizao e
utilizao prtica dos fenmenos, equipamentos e recursos aplicados nos sistemas eletrnicos,
ajudando a fortalecer e solidificar os conhecimentos adquiridos em sala de aula ao longo do
curso.
Assim, os objetivos propostos ao longo do desenvolvimento da disciplina, bem como
aqueles descritos inicialmente neste trabalho foram alcanados.
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
[1] SEDRA, A. S. SMITH, K. C. Microeletrnica. So Paulo: Pearson Makron Books. 4 ed.
2005.
[2] SILVA JR, P. A. Fontes de Tenso Reguladas. Santa Catarina: IFETSC. 2012.
[3] Acesso em: 28/06/2015.
[4] Notas de Aula.