Circuito de fonte de alimentação ajustável de +/- 1,25 V a +/- 22 V 1A (Parte 2/13)

No projeto anterior foi projetado um circuito de fonte de alimentação ajustável com tensão de saída na faixa entre 0V e 30V com capacidade máxima de corrente de 2A. Muitas vezes, a alimentação CC necessária deve ter tensões positivas e negativas. No projeto anterior, a tensão negativa poderia ser fornecida a um dispositivo apenas invertendo manualmente as conexões dos terminais. O circuito entrará em 220 V-230 V CA e gerará uma tensão CC variável na faixa de +/- 1,25 V a +/- 22 V na saída. Esta fonte de alimentação pode fornecer uma corrente máxima de 1A na saída. Para fazer uma fonte de alimentação ajustável que tenha tensões negativas e positivas, um transformador de fita central precisa ser empregado no projeto do circuito.

Neste projeto, é projetada uma fonte de alimentação simétrica positiva e negativa regulada ajustável. Para reduzir qualquer flutuação e ondulações na saída, a alimentação precisa ser regulada para que possa fornecer uma tensão constante na saída. Novamente, como no projeto anterior, a tensão é ajustada usando um resistor variável. Esta fonte de alimentação fornece tensão regulada e ajustável na saída.

O projeto de um circuito de fonte de alimentação é um processo passo a passo que envolve redução da tensão CA, conversão da tensão CA em tensão CC, suavização da tensão CC, compensação de correntes transitórias, regulação de tensão, variação de tensão e amplificação de corrente e proteção contra curto-circuito.

O circuito é montado em etapas e cada etapa atende a uma finalidade específica. Para reduzir os 230 V CA, é utilizado um transformador de 24 V – 0 – 24 V. A bobina secundária do transformador está conectada a um retificador de ponte completa. O retificador de ponte completa é construído conectando quatro diodos 1N4007 entre si designados como D1, D2, D3 e D4 nos esquemas. O cátodo de D1 e o ânodo de D2 são conectados a uma das bobinas secundárias e cátodo de D4 e o ânodo de D3 está conectado a outro final da bobina secundária. Os cátodos de D2 e ​​D3 são conectados, dos quais um terminal é retirado da saída do retificador e os ânodos de D1 e D4 são conectados, dos quais outro terminal é retirado da saída do retificador de onda completa. Um fio é puxado do centro fita do transformador que serve de terra para as saídas CC positivas e negativas.

Os capacitores de 100 uF (mostrados como C1 e C2 nos esquemas) são conectados entre os terminais de saída do retificador de onda completa e a fita central do transformador para fins de suavização. Para regulação de tensão, LM317T e LM337 são conectados em paralelo ao capacitor de suavização. As resistências variáveis ​​são conectadas em série aos CIs reguladores de tensão para ajuste de tensão e capacitores de 10 uF (mostrados como C5 e C6 nos esquemas) são conectados em paralelo na saída para compensar correntes transitórias. Existem dois diodos conectados entre os terminais de tensão de entrada e tensão de saída dos CIs reguladores de tensão para proteção contra curto-circuito.

Obtenha o diagrama esquemático desenhado ou impresso em papel e faça cada conexão com cuidado. Somente após verificar cada conexão feita corretamente, conecte o circuito de alimentação a uma fonte CA.

O circuito de potência opera em estágios bem definidos, cada estágio servindo a uma finalidade específica. O circuito opera nas seguintes etapas –

1. Conversão AC para AC

2. Conversão AC para DC – Retificação de Onda Completa

3. Suavização

4. Compensação de Corrente Transitória

5. Regulação de tensão

6. Ajuste de tensão

7. Proteção contra curto-circuito

A tensão das fontes principais (eletricidade alimentada pelo transformador intermediário após a redução da tensão da linha da estação geradora) é de aproximadamente 220-230 Vca, que precisa ser reduzida ainda mais para o nível de 24 V. Para reduzir 220 Vca para 24 Vca, é usado um transformador abaixador com fita central. O uso do transformador de derivação central serve para gerar tensão positiva e negativa na entrada. A fita central fornecerá aterramento ao circuito e os dois terminais restantes fornecerão tensão positiva e negativa.

O circuito sofre alguma queda na tensão de saída devido à perda resistiva. Portanto, um transformador com classificação de alta tensão superior aos 22 V exigidos precisa ser utilizado. O transformador deve fornecer corrente de 1A na saída. O transformador abaixador mais adequado que atende aos requisitos de tensão e corrente mencionados é 24V-0-24V/2A. Este transformador reduz a tensão da linha principal para +/- 24 Vca, conforme mostrado na imagem abaixo.

A tensão CA reduzida precisa ser convertida em tensão CC por meio de retificação. A retificação é o processo de conversão de tensão CA em tensão CC. Existem duas maneiras de converter um sinal AC em DC. Uma é a retificação de meia onda e a outra é a retificação de onda completa. Neste circuito, uma ponte retificadora de onda completa é usada para converter 48V CA em 48V CC. A retificação de onda completa é mais eficiente do que a retificação de meia onda, pois fornece uso completo dos lados negativo e positivo do sinal CA. Na configuração do retificador de ponte de onda completa, quatro diodos são conectados de tal forma que a corrente flui através deles em apenas uma direção, resultando em um sinal DC na saída. Durante a retificação de onda completa, dois diodos ficam polarizados diretamente e outros dois diodos ficam polarizados reversamente.

Durante o meio ciclo positivo da alimentação, os diodos D2 e ​​D4 conduzem em série enquanto os diodos D1 e D3 são polarizados reversamente e a corrente flui através do terminal de saída passando por D2, terminal de saída e D4. Durante o meio ciclo negativo da alimentação, os diodos D1 e D3 conduzem em série, mas os diodos D1 e D2 são polarizados reversamente e a corrente flui através de D3, terminal de saída e D1. A direção da corrente em ambos os sentidos através do terminal de saída em ambas as condições permanece a mesma.

Os diodos 1N4007 são escolhidos para construir o retificador de onda completa porque têm corrente direta máxima (média) de 1A e, em condição de polarização reversa, podem sustentar tensão inversa de pico de até 1000V. É por isso que os diodos 1N4007 são usados ​​neste projeto para retificação de onda completa.

Como o nome sugere, é o processo de suavização ou filtragem do sinal DC usando um capacitor. A saída do retificador de onda completa não é uma tensão CC constante. A saída do retificador tem o dobro da frequência das fontes principais, mas ainda contém ondulações. Portanto, ele precisa ser suavizado conectando capacitores (mostrados como C1 e C2 nos esquemas) em paralelo à saída do retificador de onda completa. O capacitor carrega e descarrega durante um ciclo, fornecendo uma tensão CC constante como saída. Assim, capacitores (mostrados como C1 e C2 nos esquemas) de alto valor são conectados à saída do circuito retificador. Esses capacitores atuam como capacitores de filtragem que desviam toda a CA através deles para o terra. Na saída, a tensão CC média restante é mais suave e livre de ondulações.

Os capacitores C3 e C4 estão conectados com pino de ajuste. Esses capacitores evitam que a ondulação seja amplificada à medida que a tensão de saída aumenta.

Nos terminais de saída do circuito de potência, os capacitores C5, C6, C7 e C8 são conectados em paralelo aos terminais de saída. Os capacitores C5 e C6 auxiliam na resposta rápida aos transitórios de carga. Sempre que a corrente das cargas de saída muda, há uma escassez inicial de corrente, que pode ser atendida por este capacitor de saída.

Os capacitores C7 e C8 são capacitores cerâmicos, a impedância ou ESR da cerâmica é baixa em comparação com um capacitor eletrolítico. Portanto C7 e C8 são usados ​​em paralelo ao capacitor eletrolítico apenas para diminuir a impedância de saída equivalente.

A variação da corrente de saída pode ser calculada por

Corrente de saída, Iout = C (dV/dt) onde

dV = Desvio máximo de tensão permitido

dt = tempo de resposta transitório

Considerando dv = 100mV

dt = 100us

Neste circuito um capacitor de 1 uF é usado então,

C = 1uF

Iout = 1u (0,1/100u)

Iout = 1mA

O circuito de alimentação deve fornecer tensão regulada e constante, sem qualquer flutuação ou variação. Para regulação de tensão, é necessário um regulador linear no circuito. O objetivo de usar este regulador é manter uma tensão constante em um nível desejado na saída. Para fornecer um IC LM317 regulado de 1,25 V a 22 V é usado e para -1,25 a -22 V na saída o IC LM337 é usado. Ambos os IC são capazes de fornecer uma corrente de 1,5A, portanto são adequados para o requisito de corrente de 1A. Neste circuito, LM317 e LM337 fornecerão uma tensão ajustável correspondente à sua tensão de entrada. Ambos os ICs são capazes de regular a carga. Eles fornecerão tensão regulada e estabilizada na saída, independentemente da flutuação na tensão de entrada e na corrente de carga.

LM317 é um regulador de tensão positiva que fornece saída na faixa de 1,25V a 37V com tensão de entrada de até 40V. Ao contrário do LM317, o LM337 é um regulador de tensão negativa que fornece -1,25V a -37V com tensão de entrada de até -40V. Na saída, ambos podem fornecer corrente máxima de 1,5A conforme ficha técnica em condições ideais.

Para definir a tensão desejada na saída, é utilizado um circuito divisor de tensão resistivo entre o pino de saída e o terra (fita central do transformador). O circuito divisor de tensão possui um resistor de programação (resistor fixo) e outro resistor variável. Tomando uma relação perfeita entre o resistor de feedback (resistor fixo) e um resistor variável, pode-se obter o valor desejado da tensão de saída correspondente à tensão de entrada. Neste circuito, as resistências R1 e R2 são utilizadas como resistência de programação para 317 e 337 respectivamente. As resistências variáveis ​​RV1 e RV2 são usadas para variar a tensão de saída em 317 e 337 respectivamente.

O LM317 tem a seguinte dissipação de energia tolerável internamente –

Pout = (Temperatura máxima de operação do IC)/ (Resistência Térmica, Junção-Ambiente + Resistência Térmica, Junção-Caixa)

Pout = (150) / (65+5) (valores conforme ficha técnica)

Beicinho = 2W

Da mesma forma, o LM337 tem a seguinte dissipação de energia tolerável internamente –

Pout = (Temperatura máxima de operação do IC)/ (Resistência Térmica, Junção-Ambiente + Resistência Térmica, Junção-Caixa)

Pout = (125) / (70+3) (valores conforme ficha técnica)

Faneca = 1,7W

Portanto, 317 e 337 internamente podem sustentar até 2W e 1,7W de dissipação de energia, respectivamente. Acima de 2W e 1,7W, os ICs não tolerarão a quantidade de calor gerada e começarão a queimar. Isso também pode causar um sério risco de incêndio. Portanto, são necessários dissipadores de calor para dissipar o calor excessivo dos CIs.

A tensão de saída pode ser variada usando o pino de ajuste dos CIs 317 e 337. Os resistores variáveis ​​RV1 e RV2 fornecem a tensão de saída de 1,25 V a 22 V e -1,25 a -22 V respectivamente.

Um diodo D5 é conectado entre os terminais de entrada de tensão e de saída de tensão do 317 IC para evitar que o capacitor externo descarregue através do IC durante um curto-circuito de entrada. Quando a entrada está em curto, o cátodo do diodo está no potencial de terra. O terminal anódico do diodo está em alta tensão, pois C5 está totalmente carregado. Portanto, nesse caso, o diodo é polarizado diretamente e toda a corrente de descarga do capacitor passa através do diodo até o terra. Isso salva o IC LM317 da corrente reversa.

De maneira semelhante, um diodo D6 é conectado entre os terminais de entrada e saída de tensão do 337 IC para evitar que o IC descarregue o capacitor C6 através do IC quando a entrada estiver em curto.

• A corrente nominal do transformador abaixador, dos diodos de ponte e dos CIs reguladores de tensão deve ser maior ou igual à corrente necessária na saída. Caso contrário, não será capaz de fornecer a corrente necessária na saída.

• A tensão nominal do transformador abaixador deve ser maior que a tensão de saída máxima necessária. Isso se deve ao fato de que os CIs 317 e 337 sofrem queda de tensão em torno de 2 a 3 V. Assim a tensão de entrada deve ser 2V a 3V maior que a tensão máxima de saída e deve estar no limite das tensões de entrada do LM317 e LM337.

• Os capacitores usados ​​no circuito devem ter uma tensão nominal mais alta que a tensão de entrada. Caso contrário, os capacitores começarão a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodirão.

• Um capacitor deve ser usado na saída do retificador para que ele possa lidar com ruídos indesejados da rede elétrica. Da mesma forma, o uso de um capacitor na saída do regulador é recomendado para lidar com mudanças transitórias rápidas e ruído na saída. O valor do capacitor de saída depende do desvio na tensão, das variações de corrente e do tempo de resposta transitória do capacitor.

• Um diodo de proteção deve sempre ser usado ao usar um capacitor após um CI regulador de tensão, para evitar que o CI contracorrente durante a descarga do capacitor.

• Para acionamento de alta carga na saída, deve ser montado dissipador de calor nos furos do regulador. Isso evitará que o IC exploda devido à dissipação de calor.

• Como os CIs reguladores só podem consumir corrente de até 1A, um fusível de 1A precisa ser conectado. Este fusível limitará a corrente no regulador em até 1A. Para correntes acima de 1A, o fusível queimará e isso cortará a alimentação de entrada do circuito. Isso protegerá o circuito e os CIs reguladores de correntes superiores a 1A.

Depois que o circuito estiver montado, é hora de testá-lo. Conecte o circuito às fontes principais e altere a resistência variável. Faça as leituras de tensão e corrente no terminal de saída do circuito de potência usando um multímetro. Em seguida, conecte resistências fixas como carga e verifique novamente as leituras de tensão e corrente.

No lado LM317 do circuito, a tensão de entrada era de 24V e ao ajustar a resistência variável, a tensão de saída estava entre 1,25 a 22V quando nenhuma carga estava conectada.

Quando uma carga é conectada na saída a tensão máxima é lida como 20V. Com uma carga de resistência de 50Ω, a tensão de saída é lida em 16 V, mostrando uma queda de tensão de 4 V. A corrente de saída é medida em 300 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 50Ω é a seguinte:

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Beicinho = (24-16) *(0,3)

Faneca = 2,4W

No lado LM337 do circuito, a tensão de entrada era de -24V e ao ajustar a resistência variável, a tensão de saída estava entre -1,25 a -22V quando nenhuma carga estava conectada.

Quando uma carga é conectada na saída, a tensão máxima é lida como -20V. Com uma carga de resistência de 50Ω, a tensão de saída é lida em 17,5 V, mostrando uma queda de tensão de 2,5 V. A corrente de saída é medida em 320 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 50Ω é a seguinte:

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Pout = (-24 – (-17,5)) *(0,32) (a dissipação de energia não pode ser negativa)

Faneca = 2,08W

Durante o teste do circuito, foi analisado que quando a demanda de corrente aumenta na saída a tensão de saída começa a diminuir. À medida que a demanda atual aumenta, os ICs 317 e 337 começam a aquecer e os ICs sofrem mais quedas, o que reduz as tensões de saída. A partir da experiência prática acima, a dissipação de energia em ambos os ICs é superior aos seus limites internos toleráveis. Portanto, é recomendado o uso de dissipadores de calor para auxiliar no resfriamento dos CIs e aumentar a vida útil desses CIs reguladores de tensão.

O circuito de alimentação projetado neste projeto pode ser utilizado como adaptador de alimentação para dispositivos eletrônicos e pode ser utilizado com chipsets que necessitem de alimentação negativa. O circuito pode ser usado para alimentar componentes eletrônicos como OP-AMPS, amplificadores bipolares e reguladores de corrente constante.

Diagrama de circuito-ajustável-1,25V-22V-1A-Fonte de alimentação