FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

Curso: Técnico em Eletrônica

RREELLAATTÓÓRRIIOO

Alunos: Luiz Fernando Lederthal e Ricardo Eduardo Nunes Monteiro. Assunto: Fonte de Alimentação Estabilizada Disciplina: Eletrônica Analógica Professor: Fernando Luiz de Jesus Motta

Julho de 2007

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INTRODUÇÃO

Neste trabalho apresentamos o processo de projeção e construção de uma fonte de tensão contínua e regulável. O projeto foi baseado em conhecimentos adquiridos em aula e nos requisitos exigidos para a conclusão deste trabalho.

OBJETIVOS

Projetar e construir uma fonte de alimentação que tenha as seguintes características:

• Saída variável de 0 v a 30 v; • Corrente máxima fornecida à carga de 1.5 a; • Proteção contra sobre-corrente; • Sinalização para a proteção; • Saídas fixas de +12 v / -12 v; • Saída fixa de +5 v;

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LAYOUT DAS PLACAS

FIXAS:

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VARIÁVEL:

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DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES UTILIZADOS

LM 317T - Regulador variável de tensão que suporta entre seus terminais de entrada e saída uma tensão de até 40 volts e 1,5 a. Regula uma tensão mínima de 1,2 volts até a máxima de 37 volts. Possui proteção interna contra superaquecimento e sobrecorrente.

LM337 - Regulador equivalente ao LM317T para tensões negativas. Mesmas características. Sua pinagem é diferente. TIP36C - Transistor PNP que suporta uma tensão de até 100 volts para VCEO e 25 a para corrente no terminal coletor. LM741 - Amplificador operacional utilizado neste projeto como comparador de tensões para a sinalização de sobrecorrente.

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DIMENSIONAMENTO DOS CIRCUITOS

TENSÃO VARIÁVEL

Transformador: Como o transformador utilizado no projeto é o mesmo para a alimentação de todos os circuitos (variável e fixas), a tensão nominal do mesmo foi determinada com base nos cálculos do circuito com maior nível de tensão na saída. Cálculo: Definições:

- tensão de saída: 30 v. - queda de tensão no LM317T: 3 v. - queda de tensão no sensor de corrente: 1,25 v. - queda de tensão nos diodos retificadores: 0,7 v. - corrente máxima: 1,5 a(variável) + 440 ma para cada saída fixa

Vsecmin=30 v+3 v+1, 25 v+0, 7 v=34, 95 vp Vrms=34, 95 vp/√2=24, 71 vrms

Considerando oscilações da rede: 24, 71 vrms /0, 9 = 27, 45 vrms Corrente: 1, 5 a + 3. (0, 44 a) = 2, 82 a. Fator de segurança: 2, 82 a/0, 5= 5, 64 a. Transformador escolhido: 29 v + 29 v/27 v + 27 v/6 a

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Retificação: Foi utilizada retificação de onda completa com terminal center tape para aproveitar a máxima corrente fornecida pelo transformador. Cálculo: Imáx: 1,5 a/2= 0,750 a. Fator segurança: 0,750 a/2= 1,5 a. Diodo escolhido: P600. Filtragem: O capacitor na saída da retificação fará a filtragem da tensão, tornando a mesma um sinal mais contínuo, sem a variação da tensão alternada e das quedas de tensão dos diodos. Cálculo: C = Idc / (Vr. f) f = 60 hz (rede). 2 = 120 hz Idc = 1,5 a (corrente máxima fornecida à carga) Vr = 10% (vsec-0, 7 v) = 2, 83 v C = 1,5 a / (2,83 v.120 hz) C = 4416 uF Tensão de isolação: Visolação > (Vsec - 0,7 v) Visolação > 29 v Capacitor escolhido= 10000 uF/50 v

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Limitação/proteção contra sobrecorrente: A limitação e proteção contra sobrecorrente foi projetada com quatro LM317T conectados em paralelo para que a corrente que deve transitar por cada um seja menor que a metade da sua capacidade total para evitar o superaquecimento do componente. Com o aumento da corrente que “flui” através do circuito a diferença de potencial em R1 aumentará proporcionalmente a esta corrente uma vez que a resistência de R1 é constante. Quando esse valor alcançar 1,25 v, tensão de referência do LM317T, a corrente será limitada em 1,83 a não importando quanto a mais a carga venha a exigir. Como conseqüência a tensão na saída cairá a aproximadamente 0 v.

A corrente de limitação é dada por: Imáx = 1,25 v/R1

Cálculo: 1,83 a / 4 = 1,25 v /R1 R1 = 2,7Ω Imáx = 1,25 v /2,7Ω Imáx = 463 ma

PR1 = 1,25 v. 463 ma = 578 mW

Por tanto: R1= 2,7Ω/5W Obs.: foram utilizados quatro resistores no circuito de limitação, um para cada LM317T, para garantir que pelos mesmos circule igual intensidade de corrente.

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Drive de corrente: O circuito foi projetado para desviar parte da corrente que passaria pelos LM317T evitando assim que os mesmos venham a se danificar uma vez que a corrente máxima que pode atravessá-los é de 1,5 a. O resistor R1 serve como sensor de corrente e a queda de tensão entre os seus terminais é que determinará se o transistor (TIP36C) estará cortado ou estará conduzindo, desviando uma parte da corrente que seria entregue aos componentes conectados entre seu emissor e seu coletor. Para calcular qual será a corrente que fará com que o TIP36C comece a conduzir deve se fazer: Icondução = 0,7 v /R1 Como queremos fazer com que os LM317T dissipem a menor potência possível evitando assim o seu superaquecimento faremos com que o drive comece a desviar a corrente por volta dos 30 ma. Cálculo: 30 ma = 0,7v / R1 R1 = 23Ω R1 escolhido= 22Ω IR1= 0,7 v/22Ω= 31 ma PR1 = 0,7 v.31 ma = 21,7 mW Assim quando a carga exigir uma corrente maior do que 31 ma a ddp do resistor R1 será superior a 0,7 v polarizando o TIP36C fazendo com que ele desvie toda a corrente necessária (superior a 31 ma). Ptrans = vec. ic Icmáx= 1,83 a – 31 ma = 1,79 a Vecmáx = vemax – vcmín Vecmáx = 40 v – 0 v = 40 v Ptrans = (40 v. 1,79 a) /0,5 [F.S] Ptrans = 71,6W

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Regulagem da tensão de saída: Para a regulagem da tensão de saída (0 v~30 v) usamos um LM317T. A tensão de saída é controlada através do resistor R1 e do resistor R2(utilizou-se um potenciômetro ao invés de um resistor, pois assim podemos ajustar com precisão o valor da saída para +30 v). Para R1 foi utilizado um resistor de 220Ω recomendado pelo fabricante do LM317T. A tensão vo é dada por: Vout = vref. (1 + R2 / R1) Cálculo: 30 v = 1,25 v. (1 + R2 /220Ω) R2= 5,06 KΩ R2(potenciômetro) escolhido: 5 kΩ Arranjo para zerar a saída: Como o LM317T possui uma tensão de referência de 1,25 v que limita a mínima tensão de saída temos que fazer um arranjo para que possamos anular essa tensão. Controlamos a tensão negativa que será aplicada ao LM317T através de um diodo zener, um resistor e um trimpot. A tensão de –12 v é proveniente da saída da fonte fixa de –12 v. Cálculo: Zener = 5v6/1W IZmax = 1 /5,6v = 178 ma IZmin = 10% IZmax = 17,8 ma IZ (escolhida) = 20 ma

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12 v – 5,6 v/20 ma= R1 R1 = 330Ω PR1 = (12 – 5V6). 20 ma = 128 mW Trimpot escolhido: 470 Ω Sinalização de sobrecorrente: Com o auxílio do potenciômetro de 1KΩ ajustamos a tensão na entrada não inversora do LM741 para um valor abaixo de Vsensor. Quando a carga exigir uma corrente inferior a corrente máxima projetada para a fonte (1,5 a) a tensão Vsensor será maior que Vref, o que fará com que a saída vá para aproximadamente 0 v e o LED não acenderá. Se a corrente exigida pela carga ultrapassar a corrente máxima projetada, a tensão na saída do circuito de limitação de corrente cairá a aproximadamente 0 v e com ela cairá também Vsensor. Assim Vref se tornou maior do que Vsensor, o que fará com que a saída vá para +Vsat e o LED se acenderá.

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TENSÕES FIXAS

Transformador: Como o transformador utilizado no projeto é o mesmo para a alimentação de todos os circuitos (variável e fixas), a tensão nominal do mesmo foi determinada com base nos cálculos do circuito com maior nível de tensão na saída. Cálculo: Definições:

- tensão de saída: 30v. - queda de tensão no LM317T: 3v. - queda de tensão no sensor de corrente: 1,25v. - queda de tensão nos diodos retificadores: 0,7v. - corrente máxima: 1,5a(variável) + 440ma para cada saída fixa

Vsecmin=30 v+3 v+1, 25 v+0, 7 v=34, 95 vp Vrms=34, 95 vp/√2=24, 71 vrms

Considerando oscilações da rede: 24, 71vrms /0, 9 = 27, 45vrms Corrente: 1, 5a + 3. (0, 44a) = 2, 82a. Fator de segurança: 2,82a/0,5= 5, 64a. Transformador escolhido: 29 v + 29 v/27 v + 27 v/6a

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Retificação: Foi utilizada retificação de onda completa com terminal center tape para aproveitar a máxima corrente fornecida pelo transformador. Cálculo: Imáx: 440ma/2= 220ma. Fator segurança: 220ma/2= 440ma. Diodo escolhido: 1N5400 Filtragem: O capacitor na saída da retificação fará a filtragem da tensão, tornando a mesma um sinal mais contínuo, sem a variação da tensão alternada e das quedas de tensão dos diodos. Cálculo: C = Idc /(Vr .f) f = 60 hz (rede). 2 = 120 hz Idc = 440ma (corrente máxima fornecida à carga) Vr = 10%(vsec-0,7V) = 2,63v C = 440ma /(2,63v.120Hz) C = 1394uF Tensão de isolação: Visolação > (Vsec-0,7V) Visolação > 27 v Capacitor escolhido= 4700uF/50 v Obs.: para a filtragem da alimentação negativa foi usado um capacitor de igual valor.

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Limitação/proteção contra sobrecorrente: A limitação e proteção contra sobrecorrente foi projetada com dois LM317T(tensão positiva) e dois LM337(tensão negativa) conectados em paralelo para que a corrente que deve transitar por cada um seja menor que a metade da sua capacidade total para evitar o superaquecimento do componente. Com o aumento da corrente que “flui” através do circuito a diferença de potencial em R1 aumentará proporcionalmente a esta corrente uma vez que a resistência de R1 é constante. Quando esse valor alcançar 1,25V, tensão de referência do LM317T/337, a corrente será limitada em 440ma não importando quanto a mais a carga venha a exigir. Como conseqüência a tensão na saída cairá a aproximadamente 0 v.

A corrente de limitação é dada por: Imáx = 1,25 v/R1

Cálculo: 440 ma / 2 = 1,25 v/R1 R1 = 5,6Ω Imáx = 1,25 /5,6Ω Imáx = 223 ma

PR1 = 1,25 v. 223 mA = 278 mW

Por tanto: R1= 5,6/5W Obs.: foram utilizados dois resistores no circuito de limitação, um para cada LM317T/337, para garantir que pelos mesmos circule igual intensidade de corrente.

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Regulagem da tensão de saída: Para a regulagem da tensão de saída (+5 v/+12 v) usamos um LM317T. Para a regulagem da tensão de saída (-12 v) usamos um LM337. A tensão de saída é controlada através do resistor R1 e do resistor R2(utilizou-se um potenciômetro ao invés de um resistor, pois assim podemos ajustar com precisão o valor da saída). Para R1 foi utilizado um resistor de 220Ω recomendado pelo fabricante do LM317T/337. A Tensão Vo é dada por: Vout = VREF. (1 +R2 /R1)

Cálculo: Fonte +5 v

5 v = 1,25 v . (1 + R2 /220Ω)

R2(pot) = 660Ω R2(pot) com =2K2

Fonte +12 v/-12 v

12 v = 1,25 v. (1 + R2 /200Ω)

R2(pot) =1892Ω R2(pot) com = 2K2

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LISTA DE MATERIAIS

COMPONENTE QTDE. VALOR

TRANSFORMADOR 1 R$66,OO LM 317T 11 R$ 11,00 LM 337 3 R$ 6,75 LM 741 1 R$ 1,75 TIP 36C 1 R$ 4,00 BC 327 1 R$ 0,15 1Ω / 10W 1 R$ 2,00 5,6Ω /5W 6 R$ 11,40 180Ω / 2W 1 R$ 1,20 2,7Ω / 5W 4 R$ 7,60 22Ω / 2W 1 R$ 1,20 220Ω / 1/3W 3 R$ 0,15 1KΩ / 1/3W 2 R$ 0,10 1OKΩ / 1/3W 1 R$ 0,05 2K2Ω / 1/3W 2 R$ 0,10 POTENCIÔMETRO 5KΩ 1 R$ 5,00 DIODO ZENER 1N4734A 1 R$ 0,25 DIODO ZENER 1N4749A 1 R$ 0,25 DIODO RETIFICADOR P600 2 R$ 2,00 DIODO RETIFICADOR 1N5400 4 R$ 3,00 DIODO RETIFICADOR 1N4007 1 R$ 0,10 TRIMPOT 470Ω 1 R$ 0,25 TRIMPOT 1KΩ 1 R$ 0,25 TRIMPOT 2K2Ω 1 R$ 0,75 TRIMPOT 4K7Ω 1 R$ 0,25 CAPAC. ELET. 4.700µF 2 R$ 8,00 CAPAC. ELET. 10.000µF 1 R$ 11,00 PLACA FENOLITE 20X20 2 R$ 2,50 BORNES 6 R$ 18,00 LED VERMELHO 1 R$ 0,20 LED VERDE 1 R$ 0,20 TOTAL R$165,35