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FONTE LINEAR

APOSTILA PARA PROJETO DE UMA FONTE LINEAR REGULADA SIMPLES

I N T R O D U O A E N G E N H A R I A E L T R I C A

NONA E D I O

MAIO D E 2 0 1 3

F O N T E L I N E A R APOSTILA PARA PROJETO DE UMA FONTE LINEAR REGULADA SIMPLES

SUMRIO

Apresentao 3

Captulo 1 -E squema em Diagrama da Fonte Linear Regulada 4 1.1 Lista de Materiais 5 1.2 Princpio de Funcionamento 6

Captulo 2 -T ransformador e Princpio de Funcionamento 7

Captulo 3 -Projet ando um fusvel 11 Captulo 4 -Projet ando o resistor do LED 13 4.1 Resistor do LED ligado a +15Vcc 13 4.2 Resistor do LED ligado a -15Vcc 13 4.3 Resistor do LED ligado a +5Vcc 14 4.4 Leitura de Resistores Cdigo de Cores 14

Captulo 5 -Utilizan do um Pront-o-Board 17

Captulo 6 -L ayout da Placa 19 6.1 Layout pronto 19 6.2 Observao importante 20 Layout para impresso 21

Captulo 7 -Confe co Artesanal de Placas de Circuito Impresso 22 7.1 Preparao 22 7.2 Passo 1 22 7.3 Passo 2 23 7.4 Passo 3 23 7.5 Passo 4 24 7.6 Passo 5 25 7.7 Passo 6 26

Captulo 8 -Mo ntagem Final 28

Captulo 9 -Dat asheet 29

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F O N T E L I N E A R APOSTILA PARA PROJETO DE UMA FONTE LINEAR REGULADA SIMPLES

APRESENTAO

Este material foi desenvolvido como o intuito de auxiliar os alunos do curso de

graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Uberlndia, no projeto, confeco e montagem de uma fonte linear regulada simples. As principais

caractersticas desta fonte so a entrada bi volt (127/220Vca) e as sadas +15/- 15/+5Vcc 1.

Durante toda esta apostila iremos desenvolver o projeto e dar dicas de construo passo a passo de todos os procedimentos para confeco da fonte

linear.

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F O N T E L I N E A R CAPTULO 1

ESQUEMA EM DIAGRAMA DA FONTE LINEAR REGULADA

O layout da fonte linear que iremos projetar e montar, est mostrado na figura

1.1.

Figura 1.1: Layout bsico de uma fonte linear regulada simples

Toda a simbologia utilizada no layout da Figura 1.1 est apresentada na Tabela 1.1.

Tabela 1.1: Simbologia

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LISTA DE MATERIAIS

A lista de materiais que iro ser utilizados neste projeto est apresentada abaixo.

MATERIAL

Chave CH

Fusvel

Porta Fusvel

Chave H-H

Trafo

Diodos 1N4007

Capacitores Elet.

Reguladores de

Tenso

LED

Resistor

Placa Virgem PCB

Bornes Banana

Fmea

Rabicho

DESCRIO

Chave Liga-Desliga

Proteo contra curto-circuito (a projetar Cap. 3)

Suporte para fusvel

Chave seletora 127-220V

Transformador 127/220 15/15 x 1

Semicondutores responsveis pela retificao

1000F/50V para retificao

Mnimo 1F/25V filtrar o sinal

LM7815 - +15V

LM7915 - -15V

LM7806 - +5V

Diodo Emissor de Luz (qualquer cor)

Diminuir a corrente para acender o LED.

A ser projetado no Cap. 4

Para de circuito impresso (PCB) Pode ser Fenolite ou Fibra de Vidro

Conectores para as sadas do circuito

Rabicho com macho de tomada

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PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO

A tenso de entrada (tomada) abaixada para 15V atravs do transformador

(ver figura 1.2 (a)).

Esta onda senoidal retificada atravs de 4 diodos formando uma ponte

retificador de onda completa (ver figura 1.2 (c)).

Em seguida esta tenso retificada passa por um grande capacitor eletroltico no qual reduz significativamente o ripple da forma de onda, aproximando-a de uma forma de onda contnua (ver figura 1.2 (e)) e por um pequeno capacitor cermico que filtra perturbaes de alta freqncia.

Os capacitores na sada, so responsveis por garantir uma fonte reserva de tenso, mantendo assim a estabilidade do fornecimento.

Figura 1.2: Princpio de Funcionamento

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TRANSFORMADOR FUNCIONAMENTO BSICO

Um transformador opera segundo a lei de Lenz, bastante conhecida entre os

fsicos e estudiosos em eletricidade.

Vejamos a figura 2.1, sabemos que quando percorremos corrente

por uma

ou mais espiras, temos o aparecimento de um campo magntico induzido perpendicular ao sentido da corrente.

Sabemos que a recproca tambm verdadeira, quando temos um campo

magntico

corrente

perpendicular a uma ou mais espiras, temos o aparecimento de

perpendicular ao sentido do campo magntico.

Figura 2.1: Lei de Lenz

Logo, com a ajuda da lei de Lenz, podemos montar um dispositivo que transforme corrente em fluxo magntico e fluxo magntico em corrente.

Sabemos tambm que os materiais ferromagnticos so bons condutores de fluxo magntico, logo, se as espiras tiverem um ncleo ferromagntico, teremos gerao de campo magntico mais forte.

Quanto maior o nmero de espiras, maior o campo magntico (fluxo) gerado. Atravs desta propriedade, podemos montar um esquema didtico mostrado na figura 2.2.

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Figura 2.2: Diagrama didtico que mostra o funcionamento de um transformador

O lado das espiras (bobinas) da esquerda denominado de Primrio e o lado das espiras da direita denominado de Secundrio.

De todas as mquinas criadas pelo ser humano, o transformador se mostra ser a

mais perfeita. Quando mencionamos a perfeio em Engenharia, estamos nos referindo eficincia (rendimento). E o transformador possui o maior rendimento dentre todas as outras mquinas.

O rendimento de um transformador comum geralmente superior a 97%,

sendo que os transformadores de distribuio e fora chegam a ter 98%, 99% de rendimento, ou seja, possuem pouqussimas perdas.

No entraremos em detalhes a respeito das perdas nos transformadores, mas

somente por curiosidade, estas perdas so: por histereses e Foucault no ncleo ferromagntico, perdas joulcas e skin (efeito pelicular) no cobre (espiras).

Como j sabemos que as perdas nos transformadores so to pequenas, ento podemos desprez-las sem grandes prejuzos na maioria das anlises. Logo, a equao abaixo vlida:

Ou seja, a potncia que entra no transformador igual a potncia que sai do transformador.

Como sabemos que P = V I temos ento a equao fundamental dos

transformadores, mostrada na equao abaixo.

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No entraremos na demonstrao da segunda parte desta equao completa,

mostrada abaixo, sendo N o nmero de espiras, temos:

Dessa forma, pode-se calcular o nmero de espiras que deve ter no primrio e

no secundrio de um transformador, a fim de se obter a tenso desejada.

Vejamos ento um exemplo prtico: um transformador semelhante ao da figura

2.2 na pgina 7 alimentado em seu lado primrio com tenso de 220V. Sabe-se que este transformador possui 30 espiras no lado de alta (primrio). Calcule quantas espiras se deve ter no lado de baixa (secundrio) para que a tenso nos terminais seja igual a 110V.

Soluo: podemos utilizar a equao descrita abaixo para o clculo desejado.

Portanto, para se obter 110 V no secundrio do transformador, o mesmo

dever ter 60 espiras. Assim, percebe-se que a relao de espiras deste transformador 2:1.

Sendo assim, por que no posso colocar apenas uma espira no secundrio e 2 espiras no primrio, visto que a relao encontrada me permite fazer isto?

Este um questionamento muito comum entre os leigos. A pergunta procede. A resposta se deve ao fato de que quanto maior o nmero de espiras, maior o campo magntico induzido gerado, e vice versa, quanto maior o campo magntico, maior a corrente induzida gerada. Logo, poucas espiras podem no ser suficientes para garantir o perfeito funcionamento do transformador

Outro fato importante em relao a esta questo a isolao das espiras, ou seja, o verniz isolante que fornece um meio dieltrico entre as bobinas possui uma capacidade de isolao limitada, que gira em torno de 3 a 4 V por espira. Nesse sentido, para garantir a isolao entre os elos das bobinas temos que aumentar o nmero de espiras.

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Agora que conhecemos o princpio bsico do funcionamento de transformadores, podemos prosseguir no projeto da nossa fonte.

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PROJETANDO UM FUSVEL

Para o clculo do fusvel temos que relembrar a equao fundamental dos

transformadores mencionada no captulo anterior.

O fusvel a ser projetado dever proteger a fonte toda, logo temos que coloc-lo

no primrio do transformador a fim de proteger tambm o transformador.

Temos, ento, alguns dados para o clculo do fusvel:

Transformador a ser utilizado: 220/127V 15/15 x 1

Com estes dados temos que observar o fato de que este transformador possui 2 nveis de tenso no primrio e 2 nveis de tenso no secundrio (transformador com tap central), e ele pode funcionar tanto com 220V quanto em 127V. Logo deve-se calcular o fusvel considerando as duas situaes e escolher a pior delas, ou seja, a que suportar a menor corrente.

Sabendo que a corrente no secundrio do transformador de 1, temos:

1. Considerando o transformador ligado a 220V:

2. Considerando o transformador ligado a 110V:

Logo, a pior situao possvel a situao em que o transformador est ligado a

220V. Como no existe fusvel comercial de 68mA, pegaremos um equivalente prximo:

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Obs.: O ideal trocar o fusvel quando se altera o nvel de tenso escolhido

(220/127V), pois podemos observar que se ligarmos a fonte em 127V no poderemos utiliz-la com 1 no secundrio, pois o fusvel no primrio chegar aos 50mA antes do secundrio chegar a 1, e se queimar. Como pudemos ver, para 127V, o primrio chegaria a 118mA.

Aproveite que voc aprendeu e calcule qual a capacidade de corrente no

secundrio que este transformador em 127V fornecer com o fusvel de 50mA.

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PROJETANDO O RESISTOR DO LED

Ao verificar manuais de fabricantes de LEDs (Lighting Emissor Diode),

verificaremos que em sua maioria, salvo LEDs especiais como os de alto brilho,

possuem limitao de corrente na faixa de 15mA, enquanto que para a tenso, no possuem grandes problemas suportando at 0,6kV.

Estes dados j so suficientes para projetas o resistor que limitar ETA corrente

para o LED.

Podemos projetar o LED em vrios pontos da placa, ou na sada de +15Vcc, ou

na de -15Vcc ou na sada de +5Vcc. Voc poder colocar um LED para cada uma destas tenso ou simplesmente colocar um s para indicar que a fonte est ligada.

Observe que na figura 1.1, o LED est ligado na tenso de -15Vcc. Veja que o

LED est com a parte positiva ligado ao terra (GND), que considerado como sendo o plo negativo do circuito.

Isso ocorre, pois o terra possui tenso 0Vcc e -15Vcc mais negativo que o

terra. Logo, a parte negativa do LED ficar do lado de -15Vcc.

RESISTOR DO LED LIGADO A +15VCC

Temos ento dois dados para o calcula deste resistor: a tenso de 15Vcc e como

dito anteriormente, projetaremos o LED para a corrente de 15mA.

Aplicando a Lei de Ohm:

Obs.: O positivo do LED dever estar ligado do lado do +15Vcc.

RESISTOR DO LED LIGADO A -15VCC



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Obs.: O positivo do LED dever estar ligado do lado do terra (GND).

RESISTOR DO LED LIGADO A +5VCC




Obs.: O positivo do LED dever estar ligado do lado do +5Vcc.

LEITURA DE RESISTORE S CDIGO DE CORES

Os resistores possuem um cdigo de cores que indicam seu valor em Ohms.

Rapidamente iremos aprender a ler os resistores. Primeiramente veja a tabela

4.1:

Tabela 4.1: Cdigo de cores

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Veja a figura 4.1:

Figura 4.1: Leitura correta de resistores

Para a leitura de resistores, procedemos da seguinte forma:

Juntamos a primeira faixa com a segunda;

Multiplicamos pela potncia dez a terceira faixa, ou seja, o valor do multiplicador

A quarta faixa indica a tolerncia deste resistor, e no relevante para o nosso projeto.

Logo, como vimos na figura 4.1:

Primeira e segunda faixas: Verde/Azul = 56;

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Terceira faixa: Amarelo = 104

Quarta faixa: Prata = 10% de tolerncia

Temos ento 560.000 ou 560k.

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UTILIZANDO UM PRONT-O-BOARD

Um Pront-o-Board, ou matriz de contatos uma placa utilizada em

experimentos laboratoriais em eletrnica.

Quanto estamos projetando um prottipo, no sabemos se realmente esle ir funcionar ou se precisar de alguns ajustes finais.

A confeco de uma placa de circuito impresso (veja captulo 7) uma tarefa

no muito simples e requer muito tempo se for feito de forma artesanal ou dinheiro

se for feita industrialmente.

Logo, temos que ter certeza de que nosso layout est corrente e nosso circuito

funcionando antes de fazer a placa final.

Para isso temos a ferramenta denominada Pront-o-Board, ou matriz de contatos, ou ainda Pront-o-Labor.

A rea reservada para a montagem do circuito (ver figura 5.2) formada por linhas horizontais e verticais.

As linhas verticais esto curtocircuitadas entre si, formando um mesmo ponto ou n. As linhas horizontais esto interligadas entre si, como mostra a figura 5.2. Esta figura ilustra perfeitamente o funcionamento da matriz de contatos.

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Figura 5.1: Pront-o Board

Figura 5.2: Esquema de funcionamento

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LAYOUT DA PLACA

Confeccionaremos agora o Layout da Placa.

Para o layout da placa podemos faz-lo diretamente na placa com uma caneta de

retro-projetor ou com auxlio de um software para confeco de placas de circuito impresso para confeco profissional da placa.

Dentre os softwares usados para tal finalidade, podemos destacar alguns deles: TangoII PCB, Accel Tango, Microsim PSpice, OrCad, Proteus, Eagle e Protel.

LAYOUT PRONTO

Como voc ainda no possui conhecimentos de simuladores de circuitos de

eletrnica, fizemos o layout da placa da fonte e ele j est pronto para imprimir em papel Couch (ver captulo 7).

Figura 6.1: Layout vista superior em escala real

Figura 6.2: Layout vista inferior em escala real

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Em anexo temos o layout da figura 6.2 pronto para ser impresso em papel Couch em impressora a laser. importante ressaltar que a impresso no pode ser

feita em impressoras a jato de tinta, pois neste caso no haver transferncia do

papel para a placa.

OBSERVAO IMPORTANTE

Uma observao muito importante que quando forem imprimir no esquecer

de marcar propriedade de escada do Adobe Acrobat como NO, ou seja, sem ajustar escalas para imprimir.

Se esta opo estiver marcada como SIM, o Acrobat ir alterar o tamanho real

do layout e as placas no sero impressas na escala correta, e os componentes eletrnicos no encaixaro na placa.

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CONFECO ARTESANAL DE PLAC AS DE CIRCUITO IMPRESSO

A tcnica que utiizaremos a tcnica com papel couch. O papel couch um

papel liso semelhante ao papel de folha de revista, e um papel barato.

Iremos explicar passo a passo ilustrando com fotos de uma placa sendo confeccionada (ver figura 7.1).

PREPARAO

Para a confeco da placa precisaremos de:

Folha de papel couch, transparncia;

Fita crepe (no serve durex);

Impressora Laser (no seve jato de tinta);

Ferro de passar roupas;

Tesoura;

Caneta para retro-projetos, canetinha de tinta permanente preta;

Pano velho (trapo)

Soluo de Percloreto de Ferro (para corroer a placa);

Recipiente para mergulhar a placa no percloreto (vasilha de sorvete);

gua morna em outro recipiente semelhante ao anterior;

Furadeira de bancada ou mini-drill

Palha de ao fina tipo Bom-Brill

PASSO 1

Imprimir o layout no papel couch utilizando uma impressora laser. Lembre-se

de que se a palca for de face simples, ou seja, com apenas um dos lados possuindo

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cobre, voc dever imprimir o layout em espelho horizontal para que quando for transferido para a placa fique de forma correta.

Figura 7.1: Impresso laser em papel couch

Obs.: O layout da Figura 7.1 uma placa genrica.

PASSO 2

Pegue uma placa de fenolite ou fibra de vidro virgem (ver figura 7.2) e coloque o

layout da placa sobre o cobre (figura 7.3).

Prenda com fita crepe o layout impresso na placa.

PASSO 3

Com um ferro de passar ligado no mximo de sua potncia e um trapo de pano,

prense com fora o ferro sobre o layout (no esfregue o ferro, somente prense com fora) por 10 ou 15 minutos, conforme a figura 7.4, retire o pano e prense novamente por 1 ou 2 minutos conforme figura 7.5.

Figura 7.2: Placa de fenolite ou fibra de vidro virgem

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Figura 7.3: Colocando o layout sobre a placa

Figura 7.4: Prensando o ferro de passar por 10 ou 15 minutos com o trapo

Figura 7.5: Pressionando o ferro de passar por 1 ou 2 minutos sem o trapo

PASSO 4

Mergulhe tudo em gua morna ou quente e deixe por mais 15 minutos.

Constantemente retire da gua e esfregue o dedo suavemente retirando parte do papel e retornando novamente para a gua at retirar todo o papel. Note que somente o impresso ficar grudado no cobre da placa.

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Figura 7.6: Mergulho em gua morna ou quente

Figura 7.7: Retirando o papel com o dedo

Figura 7.8: Resultado aps retirar todo o excesso de papel

PASSO 5

Com uma caneta para retro-projetor complete as possveis imperfeies que

ocorreram no processo. Com uma furadeira de bancada ou mini-drill, fure os furos (pads) onde passaro as pernas dos componentes, ver figura 7.9.

Aps furar, mergulhe a placa em percloreto de ferro por 20 minutos (no deixa a placa no fundo do recipiente, pois o percloreto de ferro decanta e prejudica o layout impresso). Dica: agitar o recipiente em que se encontra a placa acelera a corroso, acelerando o processo. Retire constantemente do percloreto para conferir se todo o cobre j foi corrodo.

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Figura 7.9: Fure os pads com furadeira de bancada ou mini-drill

Figura 7.10: Mergulho em percloreto de ferro

PASSO 6

Aps tudo corrodo, lave com gua corrente e voc verificar que ficou como na

figura 7.11. Caso alguns pontos ainda contenham toner da impressora a laser, utilize a palha de ao tipo Bom-Brill e tudo estar pronto, como na figura 7.12.

Figura 7.11: Resultado da corroso

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Figura 7.12: Resultado aps Bom-Brill

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MONTAGEM FINAL

A montagem final dever ser feita dentro de uma caixa, com bornes para acesso

das tenses inclusive do terra, e no esquecer da chave (liga-desliga) e do fusvel.

A figura 8.1 mostra uma fonte como a nossa j montada e funcionando.

Figura 8.1: Fonte Linear simples

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DATASHEET

Nas pginas a seguinte mostraremos a primeira pgina de cada manual

(Datasheet) importante para a confeco desta placa de circuito imrpesso.

Aconselha-se que todos entrem na internet e busque os manuais completos para

poderer ir se familiarizando, e desfrutando de todos os termos cientficos e caractersticas de funcionamento, ponto de operao, etc, que so de vital importncia para o engenheiro projetista.

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Figura 9.1: Primeira pgina do datasheet do regulador de tenso LM 78XX

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Figura 9.2: Primeira pgina do datasheet do regulador de tenso LM 79XX.

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