Projeto da Fonte de Alimentação Regulada

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Projeto da Fonte de Alimentação Regulada, LM723

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Projeto da Fonte de Alimentação Regulada

  1. 1. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Instituto Politécnico Projeto da Fonte de Alimentação Regulada Ciro Marcus Monteiro Campos Belo Horizonte 2007
  2. 2. Ciro Marcus Monteiro Campos Projeto da Fonte de Alimentação Regulada Relatório do Projeto Prático: Fonte de Alimentação Regulada apresentada à disciplina Sistemas Analógicos V, do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Orientador: Prof. Mário Buratto Belo Horizonte 2
  3. 3. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 04 2. DESCRIÇÃO DO PROJETO ........................................................................................... 04 3. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO ................................................................................. 04 3.1. Etapas para o desenvolvimento da fonte .................................................................... 05 3.2. Tensão de saída máxima ............................................................................................ 06 3.3. Tensão de saída mínima ............................................................................................. 06 4. MEMÓRIA DE CÁLCULO ............................................................................................. 07 4.1. Curva r% x ω.RC........................................................................................................ 07 4.2. Curva VDC / EM x ω.RC x RT/R%.............................................................................. 08 4.3. Curva Ipico/Idc x nω.RC.............................................................................................. 09 4.4. Curva 0 Ief/Idc x nω.RC .............................................................................................. 10 4.5. LM723 ........................................................................................................................ 10 4.5.1. Cálculo dos resistores e do potenciômetro reguladores de tensão de saída do LM723..................................................................................................................10 5. TABELA DE COMPONENTES.......................................................................................11 6. SIMULAÇÃO ................................................................................................................... 12 6.1 Gráfico do secundário do transformador................................................................... 12 6.2 Curvas nos diodos...................................................................................................... 13 6.3 Gráfico da tensão na saída do filtro........................................................................... 13 6.4 Gráfico comparativo da tensão de saída do transformador (preto) e tensão da saída do filtro capacitivo (vermelho) ............................................................................................. 14 7. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO........................................................................................ 14 8. LAYOUT DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO ....................................................... 15 9. RESULTADOS EXPERIMENTAIS..................................................................................16 10. CONCLUSÕES ................................................................................................................ 17 11. BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................17 3
  4. 4. 1 INTRODUÇÃO O projeto de construção de uma fonte de tensão regulada visa o aprimoramento prático dos alunos e aplicação direta dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso. Uma fonte desse tipo apresenta várias aplicações sendo as mais comuns, a alimentação de equipamentos eletrônicos de diversos tipos e finalidades incluindo: instrumentos musicais, receptores AM/FM, discman, eliminadores de pilha etc. 2 DESCRIÇÃO DO PROJETO O projeto trata-se de uma fonte de tensão de Corrente Contínua (CC) com circuito integrado regulador LM723, que de seguir as seguintes características: • Utilização do circuito integrado LM723 para regulação da tensão na carga; • Corrente máxima de saída: 0.5 A < Imax< 1 A; • Tensão máxima de saída: Vmax=12 V; • Filtragem de sinal feita por capacitor eletrolítico; • Retificador de onda completa com 4 diodos; • Fator de ripple máximo: 5% após filtro, 1% na carga; • Montagem em placa de circuito impresso com as iniciais dos componentes e data; • Fixação da montagem em base de madeira ou acrílico; • Bornes para conexão externa na saída do filtro e na carga; • Conexão na rede por tomada comum; • Chave liga/desliga; • 1 LED indicando circuito energizado. 3 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO Ligando-se à rede elétrica com uma tensão AC primária, esta passa pelo transformador, que a transforma em tensão secundária, com menor valor, e esta diminuição é previamente calculada. A tensão secundária passa pelo retificador onde é obtida uma onda estacionária. Depois é realizada a filtragem para um nível DC, mais a onda produzida não é estabilizada. Em seguida a etapa da regulação, onde o sinal é regulado para se obter o nível de tensão desejado e a forma de onda estabilizada. Figura 1 - Diagrama em Blocos 4
  5. 5. A tensão da rede elétrica chega ao transformador e este reduz o valor dessa tensão para que o circuito possa trabalhar conforme o dimensionamento do projetista (essa transformação se dá através de um circuito magnético relacionado ao número de espiras do transformador). Figura 2 - Fonte de tensão regulada simplificada A seguir temos uma ponte retificadora de diodos que funciona da seguinte maneira: durante os semiciclos positivos da tensão de entrada, D1 e D2 conduzem enquanto que D3 e D4 estão reversamente polarizados. No semiciclo posterior, D3 e D4 conduzem enquanto que D1 e D2 encontram-se inversamente polarizados. Observa-se que, durante ambos os semiciclos, a corrente circula para a carga (resistor R) no mesmo sentido e, portanto, a tensão de saída será sempre positiva. Após a retificação dessa tensão é necessário um filtro de sinais visando um baixo fator de ripple, ou seja, o mínimo possível de componente alternada na saída para a carga (R). No caso específico deste primeiro projeto, o circuito a ser empregado mostra-se mais complexo já que, a regulação da tensão de saída é variável por um potenciômetro acoplado ao circuito e é feita por um circuito integrado que exige várias ligações a outros componentes eletrônicos. 3.1 Etapas para o desenvolvimento da fonte A primeira etapa do projeto consistiu na consulta às Curvas de Shade. Essa consulta permitiu que calculássemos os parâmetros que dariam início ao trabalho. A primeira curva utilizada possibilitou o cálculo do capacitor a ser utilizado como filtro através de uma relação considerando a resistência interna do transformador e a resistência de carga (onde seria medida a tensão de saída da fonte). A segunda curva serviu para a definição do transformador adequado pelo cálculo da tensão de pico fornecida pelo secundário do mesmo, correspondente também à tensão de pico inversa (PIV) nos diodos da ponte retificadora. A terceira curva forneceu o valor médio da corrente nos diodos, bem como a corrente de pico repetitiva neles, utilizando um fator duas vezes menor entre as resistências do transformador e de saída (n=2 porque é um circuito retificador de onda completa). De posse dos resultados provenientes dessas duas últimas curvas, foi possível a escolha dos diodos. Finalizando a primeira etapa, para identificarmos a corrente eficaz no secundário do transformador, usamos a mesma relação das resistências e da corrente média da terceira curva e assim, dimensionamos o tipo de transformador. Deparamo-nos então com o circuito integrado encarregado de fazer a regulação da tensão de saída (LM723). O CI utilizado apresenta uma tensão de referência interna de 7.15 V (±0.20 V). Selecionando alguns resistores, a tensão de saída pode ser variável. Um transistor externo é utilizado para o controle da corrente de saída e um resistor ligado à base emissora é usado como um componente sensível à corrente com finalidade de limitar a mesma. Um 5
  6. 6. transistor interno ao CI é ligado se a tensão exceder 0.6 V e provê uma ação de limitação de corrente via circuito interno. Um capacitor é conectado entre a saída e a entrada inversora do amplificador de erro interno. É um capacitor compensador para filtrar e manter a estabilidade do circuito. Definimos os valores das resistências externas ao CI através de cálculos e simulações abaixo figuradas (considerando o amplificador somador como simplificação do circuito interno do LM723): 3.2 Tensão de saída máxima Figura 3 - Esquematização do circuito com tensão de saída máxima 3.3 Tensão de saída mínima : Figura 4 - Esquematização do circuito com tensão de saída mínima Determinados os valores relacionados ao CI regulador, calculamos a resistência que limita a corrente que vai para o diodo emissor de luz (LED) que serve para indicar se a fonte está alimentada(LED aceso) ou não(LED apagado). Finalizamos o projeto colocando uma proteção contra sobrecarga escolhendo o fusível a ser utilizado antes do transformador, de acordo com a corrente máxima na entrada do circuito. Utilizamos também um dissipador de calor para proteção contra a queima do regulador. 6
  7. 7. 4 MEMÓRIA DE CÁLCULO 4.1 Curva r% x ω.RC Figura 5 - Primeira curva utilizada FQ = 13 ω = 2πf = 2π.60 Hz ω = 120 π R = Vcarga / Icarga onde: Vcarga = VoMAX + 3v e Icarga = IoMAX + 0,1.IoMAX então: Vcarga = 15v e Icarga = 1,1 A. R = 15/1,1 → R = 13,64 Ω RT = 0,1xR → RT = 1,36 Ω FQ = ω.RC c = FQ/( ω.R) → c = 2,5 mF 7
  8. 8. 4.2 Curva VDC / EM x ω.RC x RT/R% Figura 6 - Segunda curva utilizada FD = 74 Vdc = Vcarga → Vdc = 15v - Tensão de pico repetitiva nos diodos: EM = Vdc / (FD/100) = 15/0,74 → EM = 20,3 Vpp EM(rms) = 20,27/√2 → EM(rms) = 14,1V → Transformador 127:14,1V 8
  9. 9. 4.3 Curva Ipico/Idc x nω.RC Figura 7 - Terceira curva utilizada n = 2 (Retificador de onda completa) (RT/ nR)% = 5% → nω.RC = 2 ω.RC = 26 FC = 7Cálculos: Corrente média nos diodos: Idc = Ic/2 = 1,1/2 → Idc = 0,55 A Corrente de pico nos diodos: Ipico = Idc . FC = 0,55 x 7 →Ipico = 3,85 A 9
  10. 10. 4.4 Curva 0 Ief/Idc x nω.RC Figura 8 - Quarta curva utilizada (RT/ nR)% = 5% nω.RC = 26 FS = 2,25 Corrente eficaz no secundário do transformador: Ief = Idc.FS = 0,55 . 2,25 → Ief = 1,24 A 4.5 LM723 4.5.1 Cálculo dos resistores e do potenciômetro reguladores de tensão de saída do LM723 10
  11. 11. Figura 9 - LM equivalente (utilizada para cálculo das resistências Ra e Rb) 5 LISTA DE COMPONENTES • Transformador 127:15 V – 2 A • 4 diodos 1N4007 • 1 capacitor eletrolítico de 3.3 mF – 25 V • 1 LED • 1 resistor de 820 Ω - 1 W • 1 potenciômetro de 1 kΩ • 1 resistor de 1 kΩ - 1 W • 1 resistor de 1.5 kΩ - 1 W • 1 resistor de 420 Ω - 1 W • 1 resistor de 680 Ω - 1 W • 1 resistor de 0.47 Ω - 5 W • 1 transistor TIP 31 • 1 capacitor de 471 pF • 1 tomada • 3 bornes • 1 fusível de 2 A • 1 dissipador de calor • 1 CI LM723 • 1 placa de circuito impresso (15 cm x 15 cm) • 1 base de madeira 11
  12. 12. 6 SIMULAÇÃO Figura 10 - Circuito utilizado na simulação Obs.: Os diodos utilizados na simulação são modelos ideais e no circuito real foram utilizados diodos 1N4007. Valores de tensão e correntes medidos: - No secundário do transformador: V = 14,40V e I = 1,2A 6.1 Gráfico do secundário do transformador Figura 11 - Curva da tensão no secundário do transformador 12
  13. 13. 6.2 Curvas nos diodos D 1 : D 2 : Figura 12 - Curva da tensão no diodo D1 Figura 13 - Curva da tensão no diodo D2 D 3 : D 4 : Figura 14 - Curva da tensão no diodo D3 Figura 15 - Curva da tensão no diodo D4 Na saída do filtro capacitivo (em R) temos: V = 13,18V e I = 1,16A 6.3 Gráfico da tensão na saída do filtro 13
  14. 14. Figura 16 - Curva da tensão na saída do filtro capacitivo 6.4 Gráfico comparativo da tensão de saída do transformador (preto) e tensão da saída do filtro capacitivo (vermelho) Figura 17 - Curva comparativa entre as tensões no secundário do transformador e na saída do filtro capacitivo 7 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO 14
  15. 15. Figura 18 - Diagrama esquemático do projeto a partir do transformador 8 LAYOUT DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO Figura 19 – Layout da placa de circuito impresso. 15
  16. 16. 9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 16
  17. 17. 10 CONCLUSÃO 17
  18. 18. Com o desenvolvimento deste projeto, várias expectativas teóricas puderam ser comprovadas na prática. A oscilação de Ripple mostrou-se menor quanto maior for o valor da capacitância do capacitor do filtro. Portanto, mais linear é o sinal da saída da etapa do filtro, quanto maior for o capacitor, observando que este valor não pode ser aumentado indiscriminadamente visto que ele influencia diretamente a corrente de pico nos diodos da etapa retificadora. Observamos que um circuito regulado apresenta quedas de tensão muito pequenas quando colocamos cargas altas, que drenam muita corrente. Fica evidenciado a importância da etapa de regulação no circuito para que o mesmo tenha boas respostas às diversas aplicações e situações às quais ele será submetido. Pudemos também ter um primeiro contato com a confecção de uma placa e com o regulador de tensão LM723, que mostrou-se bastante eficaz quanto ao seu limite de corrente e rejeição de Ripple. 11 BIBLIOGRAFIA CIPELLI, Teoria e Desenvolvimento de Circuitos. SEDRA, Adel S. e SMITH, K.C. Microeletrônica. Quarta edição, Makron Books. NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION, Linear Databook. Datasheet LM 723. Disponível em < www.national.com/pf/lm/lm723.html>. Acessado em 10 de agosto 2004. 18

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