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Projeto e montagem de uma fonte linear

Você precisa de uma fonte geradora de tensão contínua, mas por algum motivo, não pode comprar uma? Você pode montar sua própria fonte linear, neste post é mostrado como.

Projeto

Uma fonte linear CC converte a tensão CA da tomada em CC para alimentar circuitos e componentes eletrônicos. A seguir é o diagrama de blocos.

Diagrama de blocos da fonte linear

Transformador

O funcionamento deste componente é explicado em um post, cujo link está abaixo.

TransformadorClique aqui

O transformador reduz a tensão da tomada. O enrolamento primário tem os fios nas cores preta (terra), vermelha (220 V) e azul (127 V).

Fios primários

O enrolamento secundário tem fios brancos ligados às fases e um amarelo como neutro.

Fios secundários

Retificador

O retificador é uma ponte de diodos de onda completa.

Os diodos são todos 1N4007, atualmente é o mais comum para esta aplicação. O funcionamento dos diodos e da ponte já foram mostrados em um post dedicado.

DiodosClique aqui

Filtro

O sinal na saída da ponte retificadora é contínuo pulsado. A saída da fonte deve ser um sinal contínuo reto mais estável possível. Primeiro, tem que colocar um capacitor na saída da ponte de diodos.

retificador e capacitor

Durante a amplitude máxima do sinal contínuo pulsante, o capacitor está carregado. Quando o sinal diminui a amplitude, o capacitor se descarrega. Mas logo se carrega novamente, o sinal na saída é uma tensão DC com uma ondulação ou ripple.

sinal retificado

O fator de ripple em % é calculado desta forma. V_{RMS} é a tensão em RMS da forma de onda e V_{DC} é o valor de saída.

r=\frac{V_{RMS}}{V_{DC}}\cdot 100

ripple

É recomendável que o fator de ripple seja no máximo 10%. Qual deve ser o valor deste capacitor? O transformador tem o secundário 12+12 V, logo a tensão de pico V_{p} é:

V_{p}=\sqrt{2}\cdot (12+12)=\sqrt{2}\cdot 24=33,94 V

Considerando a queda de tensão nos dois diodos.

V_{p}=33,54-1,4=32,54V

Se o ripple é de 10%, a variação da tensão \Delta V é 3,25 V, pois é 10% da tensão de pico. Para dimensionar o capacitor, deve-se utilizar esta fórmula.

\Delta V=\frac{I}{fC}

f é a frequência, que vale 60 Hz. Para calcular I, deve-se definir o resistor de carga em paralelo com o capacitor.

Retificador com capacitor e resistor

Eu coloquei um LED vermelho em série com o R1, o valor deste é arbitrário, logo a corrente I é:

I=\frac{V_{C}-V_{LED}}{R1}

I=\frac{32,54-2}{1000}=30,54mA

Usando a equação anterior.

3,25=\frac{30,54m}{60\cdot C}

C=\frac{30,54m}{195}=0,1566m=156,6\mu F

Este é o valor mínimo do capacitor eletrolítico, não há problema em colocar valores maiores, pois maior valor significa que vai demorar mais para descarregar. Eu escolhi 470 μF pois é o mínimo valor comercial que tenho. A tensão do capacitor deve ser maior do que a tensão de pico, senão vai queimar. Portanto C1 é 470 μF x 50 V.

Regulagem

A tensão de saída da fonte linear até agora é de 16 V, com pequena instabilidade para mais ou para menos.

fonte linear DC

A tensão na saída deve ser estável e controlável. O que fazer? Foi usado o circuito integrado LM317T, cujo datasheet pode ser encontrado neste link. O datasheet já mostra um circuito regulador de tensão.

Regulador de tensão

O capacitor C1 faz o desacoplamento de sinal, usado quando o regulador fica longe da fonte. Um sinal transiente, vindo das flutuações de CA, passa por este capacitor e vai para o terra, melhorando a qualidade do sinal na entrada. Esta característica é chamada de rejeição de ripple. Neste projeto, o regulador está perto da fonte, logo não precisa do C1. O C2 tem a mesma função. O papel do C3 é melhorar a resposta transiente no sinal de saída.

Para que servem os diodos D1 e D2? Quando C2 e C3 descarregam, a corrente de descarga vai para os diodos, protegendo o LM317T. Pois quando os capacitores descarregam, liberam uma corrente reversa por um curto intervalo de tempo. Os tipos escolhidos são 1N4007.

Atenção: Este gráfico não é a resposta de C2 e C3. É apenas uma representação do comportamento da corrente de descarga do capacitor.

O resistor R1 e o potenciômetro R2 determinam a faixa de tensão da fonte linear. No datasheet podemos ver a equação da tensão de saída Vo do circuito regulador.

Fórmula do regulador

Os valores de I_{ADJ} e V_{REF} também são mostrados.

Corrente de ajuste e tensão de referência

O valor do potenciômetro de R2 é 10 kΩ, foi escolhido arbitrariamente. Calculando R1 com a tensão de saída igual a 15 V.

Vo=V_{REF}\cdot \left ( 1+\frac{R2}{R1} \right )+R2\cdot I_{ADJ}

15=1,25\cdot \left ( 1+\frac{10k}{R1} \right )+10k\cdot 100\mu

R1=0,98k\Omega

Deve arredondar para o valor comercial de 1 kΩ.

Montagem e teste

Finalmente a montagem da fonte linear DC. Este é o diagrama de conexão dos terminais do LM317T.

pinos do LM317T

O esquemático completo de toda a fonte linear.

Fonte linear completa

Você pode montar em placa de circuito impresso ou ponte de terminais. Eu escolhi ponte de terminais, pois a montagem é mais rápida e o tamanho do circuito não é muito importante.

ponte de terminais

Todo o circuito montado na fonte.

circuito completo da fonte

O circuito foi colocado dentro de uma caixa, cujas dimensões são: 12,5 cm de comprimento; 8,5 cm de largura e 5,5 cm de altura.

Caixa

Foi preciso fazer furos na caixa para o botão de liga-desliga, potenciômetro, LED e terminais de saída ficarem do lado de fora. Uma opção é usar um ferro de solda de 50 W para fazer os furos.

Ferro de solda de 50 W

A fonte linear pronta. Deve fornecer tensão entre 1,36 V e 14,5 V, estes valores podem variar um pouco devido à tolerância dos resistores.

fonte linear

 

 

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