Relatório Fonte Regulada

7/26/2019 Relatrio Fonte Regulada

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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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=

= 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.

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