As fontes de alimentação são a base dos circuitos eletrônicos. Os circuitos de fonte de alimentação podem ser projetados de várias maneiras. Pode haver fontes de alimentação ajustáveis ou fontes de alimentação de tensão fixa. Um circuito de fonte de alimentação é classificado pela tensão ou faixa de tensão que fornece e pela corrente máxima que permite consumir por uma carga. Em segundo lugar, as residências recebem tensões CA como alimentação principal. Muitos aparelhos elétricos, como ventiladores, lâmpadas fluorescentes e outros, são capazes de usar tensões CA diretamente, mas a maioria dos dispositivos eletrônicos requer conversão de tensão CA em tensão CC para sua operação. Qualquer circuito de fonte de alimentação externa precisa converter tensão CA em tensão CC para uso pelos dispositivos eletrônicos. Neste projeto, um circuito de fonte de alimentação ajustável é projetado que dá entrada à rede elétrica CA e fornece tensão CC de 0 a 30 V 2 A como saída.
A fonte de alimentação projetada neste projeto é do tipo regulada linearmente ajustável, de modo que a tensão de saída do circuito é constante e variada mecanicamente com o auxílio de um resistor variável. Neste tipo de alimentação, um elemento regulador linear (um resistor variável) em série com a carga é conectado à saída. Um elemento linear como BJT ou FET é usado para fornecer as correntes necessárias na saída.
No circuito de fonte de alimentação aqui projetado, o Transistor de Junção Bipolar 2N3055 funciona no modo linear juntamente com uma resistência variável. A resistência variável ajuda a fornecer a tensão apropriada na saída para qualquer corrente dentro da faixa operacional. As cargas alimentadas pelo circuito podem ter diferentes classificações de potência. Cargas de alta potência consomem correntes mais altas. Neste circuito de fonte de alimentação, o transistor 2N3055 auxilia no aumento da corrente de saída da fonte de alimentação até um limite de até 2 A.
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.
Componentes necessários –
Fig. 1: Lista de componentes necessários para fonte de alimentação ajustável de 0 a 30V 2A DC
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos da fonte de alimentação ajustável de 0 a 30 V 2A DC
Conexões de 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 18 V – 0 – 18 V. A bobina secundária do transformador está conectada a um retificador de ponte completa. O retificador de ponte completa é construído conectando quatro diodos SR560 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 os cátodos de D4 e o ânodo de D3 são conectados às outras extremidades 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 fusível 2A é conectado em série ao terminal de saída nas junções catódicas D2-D3 para segurança.
Um capacitor de 470 uF (mostrado como C1 no esquema) é conectado entre os terminais de saída do retificador de onda completa para fins de suavização. Para regulação de tensão, dois diodos zener de 12V e 18V são conectados em série e paralelos ao capacitor de suavização. Uma resistência variável é conectada em série aos diodos zener para ajuste de tensão e um capacitor de 10 uF (mostrado como C1 no esquema) é conectado em paralelo para compensar correntes transitórias. Dois transistores NPN (mostrados como Q1 e Q2 nos esquemas) são conectados como amplificador de par Darlington em um dos terminais de saída em série para obter os ganhos de corrente desejados. A saída do par Darlington é ainda conectada a um transistor NPN (mostrado como Q3 nos esquemas) e resistência (mostrada como R3 nos esquemas) 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.
Como funciona o projeto –
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. Amplificação atual
8. Proteção contra curto-circuito
Conversão CA para CA
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 30 V. Para reduzir 220 Vca para 30 Vca, é usado um transformador abaixador.
O circuito sofre alguma queda na tensão de saída devido à perda resistiva. Portanto, um transformador com classificação de alta tensão superior aos 30 V exigidos precisa ser utilizado. O transformador deve fornecer corrente de 2A na saída. O transformador abaixador mais adequado que atende aos requisitos de tensão e corrente mencionados é 18V-0-18V/2A. Este transformador reduz a tensão da linha principal para 36 Vca, conforme mostrado na imagem abaixo.
Fig. 3: Diagrama do Circuito do Transformador 18-0-18V
Conversão AC para DC – Retificação de Onda Completa
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, um onda completa O retificador de ponte é usado para converter 36 V CA em 36 V CC. A retificação de onda completa é mais eficiente que a retificação de meia onda, pois fornece uso completo dos lados negativo e positivo do sinal AC. 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.
Fig. 4: Diagrama de Circuito do Retificador de Onda Completa
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.
Fig. 5: Diagrama de Circuito mostrando o ciclo positivo do Retificador de Onda Completa
Fig. 6: Diagrama de circuito mostrando o ciclo negativo do retificador de onda completa
Os diodos SR560 são escolhidos para construir o retificador de onda completa porque eles têm a classificação de corrente direta máxima (média) de 2A e na condição de polarização reversa, eles podem sustentar tensão inversa de pico de até 36V. Aquilo é por que Diodos SR560 são usados neste projeto para retificação de onda completa.
Suavização
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 um capacitor 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, um capacitor (mostrado como C1 no esquema) de alto valor é conectado à saída do circuito retificador. Como a CC que deve ser retificada pelo circuito retificador tem muitos picos de CA e ondulações indesejadas, para reduzir esses picos é usado um capacitor. Este capacitor atua como um capacitor de filtragem que desvia toda a CA através dele para o terra. Na saída, a tensão CC média restante é mais suave e livre de ondulações.
Fig. 7: Diagrama de Circuito do Capacitor de Suavização
Compensando Correntes Transitórias
Nos terminais de saída do circuito de potência, um capacitor (mostrado como C2 no esquema) também é conectado em paralelo. Este capacitor auxilia na resposta rápida a 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.
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 é utilizado um capacitor de 10 uF, então,
C = 10uF
Iout = 10u (0,1/100u)
Iout = 10mA
Desta forma pode-se concluir que o capacitor de saída responderá a uma mudança de corrente de 10mA para um tempo de resposta transitório de 100 us.
Fig. 8: Diagrama de circuito do compensador de corrente transitória
Regulação de tensão
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.
Fig. 9: Diagrama do circuito do regulador de tensão para fonte de alimentação CC ajustável de 0 a 30 V 2 A
Neste circuito, a tensão máxima na saída deve ser 30V, portanto uma tensão de 30V zener o diodo é perfeito para regulação de tensão na saída. Aqui dois zener diodos de 12V e 18V são conectados em série que fornecem um total de 30V na saída. Um 30V zener diodo de classificação de 1W ou uma combinação diferente de zener diodos também podem ser usados para obter 30V na saída.
Ajuste de tensão
Para ajustar a tensão de saída de 0 a 30 V, um resistor variável (mostrado como RV1 no esquema) é conectado à saída. A ponta de prova variável de RV1 está conectada ao coletor do transistor chaveador BC547 (mostrado como Q3 nos esquemas). Variando este resistor, o emissor do transistor chaveador fornecerá a tensão variável entre 0 e 30V.
Amplificação atual
O diodo zener pode fornecer corrente apenas em amperes. Portanto, para obter alta corrente de carga na saída, algum elemento linear deve ser conectado em série com a carga que possa consumir a corrente necessária. Este circuito usa um transistor de junção bipolar NPN como elemento linear. Um transistor BC547 (mostrado como Q2 nos esquemas) é usado para fornecer tensão de base suficiente ao transistor bipolar NPN 2N3055 (mostrado como Q1 nos esquemas). O transistor 2N3055 é capaz de fornecer corrente de 2A na saída. Os transistores são conectados em uma configuração de amplificador de par Darlington para gerar os ganhos de corrente desejados. Na configuração de pares Darlington, o ganho líquido de corrente é uma multiplicação dos ganhos de corrente dos dois transistores.
Ganho total de corrente (hFE total) = ganho de corrente do transistor 1 (hFE t1) x ganho de corrente do transistor 2 (hFE t2)
Portanto o ganho atual do BC547 é 800 e o do 2N3055 é de 20 a 70, tomando uma média de 50. Então,
Ganho total de corrente (hFE total) = 800 * 50 = 40.000
Isto é suficiente para elevar as correntes de mil amperes para níveis de amperes.
Proteção contra curto-circuito
Para proteção contra curto-circuito, um transistor de comutação BC547 (mostrado como Q3 nos esquemas) e uma resistência mostrada como R2 nos esquemas são conectados em série antes da saída do circuito.
Testes e precauções –
As seguintes precauções devem ser tomadas durante a montagem do circuito –
• A corrente nominal do transformador, ponte retificadora e transistor deve ser maior ou igual ao requisito de corrente de saída. Então, somente o circuito pode fornecer corrente suficiente na saída.
• A tensão nominal de um transformador abaixador deve ser maior que a tensão de saída máxima necessária. Isso se deve ao fato de que o circuito sofre queda de tensão devido a alguma perda resistiva. Assim, a tensão de entrada do transformador deve ser 2 a 3 V maior que a tensão máxima de saída.
• O capacitor C1 na saída do retificador é usado para lidar com o ruído da rede elétrica e remover ondulações.
• O capacitor C2 nos terminais de saída do circuito de potência ajuda a lidar com mudanças transitórias rápidas e ruídos na carga de saída. O valor deste capacitor depende do desvio de tensão, variações de corrente e tempo de resposta transitória do capacitor utilizado.
• Os capacitores usados no circuito devem ter tensão nominal superior à tensão de entrada. Caso contrário, o capacitor começará a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodirá.
• Os diodos zener usados no circuito devem ter classificação de 1W, caso contrário, eles serão danificados devido ao aquecimento.
• À medida que a demanda de corrente aumentará na carga de saída, o transistor 2N3055 começará a aquecer. Para superar esse problema, um dissipador de calor adequado deve ser montado para dissipar o excesso de calor. Caso contrário, o transistor pode explodir.
• Como o circuito foi projetado para consumir uma corrente máxima de 2A na saída, um fusível de 2A deve ser conectado à saída do retificador de onda completa. Este fusível impedirá que o circuito consuma corrente superior a 2A. Para corrente consumida acima de 2A, o fusível queimará primeiro, cortando a alimentação de entrada do circuito.
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.
Durante o teste sem carga, a tensão de saída no ajuste da resistência variável variou em valor entre 0,3 V a 30,3 V. Portanto, no cálculo do erro, obtém-se a seguinte porcentagem de erro –
% Erro = (Valor experimental – Valor esperado)*100 /Valor esperado
% de erro = (30,3 – 30)*100/30
% Erro = 1%
Quando uma carga é conectada na saída a tensão máxima é lida como 30V. Com uma carga de resistência de 1K, a tensão de saída é lida como 29,1 V mostrando uma queda de tensão de 0,9 V. A corrente de saída é medida como 29,1 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 1k é a seguinte –
Beicinho = Iout*Iout*R
Faneca = 0,0291*0,0291*1000
Faneca = 0,84W
Se a resistência de carga usada for de 470 ohms, uma tensão de 28,9 V é medida, mostrando uma queda de tensão de 1,1 V e a corrente medida é de 61,4 mA. Portanto, a dissipação de energia com carga de 470 ohms é a seguinte –
Beicinho = Iout*Iout*R
Beicinho = 0,0614*0,0614*470
Faneca = 1,7W
Este circuito pode ser usado como adaptador de energia para suportar uma ampla gama de aplicações eletrônicas, como transmissão, câmeras digitais, impressoras, laptops e outros dispositivos eletrônicos portáteis. Também pode ser usado como fonte de alimentação CC ajustável para dispositivos eletrônicos.
Pequena conversa sobre suprimentos futuros –
Num futuro próximo, a Corrente Contínua de Alta Tensão (HVDC) pode tornar-se um meio mais popular de transmissão de energia à medida que o foco nas energias renováveis aumenta. O HVDC é comumente empregado apenas para transmissões de energia entre países e subaquáticas. Isso é feito para reduzir perdas por indutância e capacitância induzidas em longas distâncias. A resistência, a indutância e a capacitância de um fio não podem ser alteradas de forma prática. Para transmissão de energia dentro do país, atualmente, a CA é o método preferido. A corrente alternada é preferida para transmissão de energia dentro do país, apesar das perdas devido à indutância e capacitância, porque reduzir a tensão CA é muito mais barato do que reduzir a tensão CC.
Uma tensão CA pode ser facilmente reduzida com a ajuda de um transformador. Portanto, a energia fornecida às residências atualmente é a tensão CA. As estações geradoras fornecem altas tensões CA para reduzir as perdas de energia. Assim como a tensão CA fornecida às residências é de 230 V 50 HZ, a estação geradora fornece 2.300 V através do fio de transmissão, que é reduzido para 230 V por um transformador intermediário. Possivelmente, no dia em que o HVDC de fontes renováveis se tornar uma fonte comum de fornecimento de energia doméstica, os circuitos de energia baseados em semicondutores serão usados para redução e regulação de tensão.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-ajustável-0-30V-2A-DC-Fonte de alimentação |  |
Vídeo do projeto
