Circuito de fonte de alimentação simétrica constante +/-9V DC (Parte 5/13)

No projeto anterior foi projetado um circuito de alimentação constante de 12V DC com limitação de corrente de 1A. Neste projeto será projetada uma fonte de alimentação dupla simétrica com saídas de tensão constante. Uma fonte de alimentação dupla simétrica pode fornecer duas tensões simétricas na saída com polaridade oposta em relação a uma referência de aterramento comum. Todo circuito eletrônico necessita de uma fonte de alimentação adequada na entrada para seu ótimo funcionamento. A fonte de alimentação de qualquer dispositivo ou circuito deve ser escolhida de acordo com seus requisitos de energia. Neste projeto, é projetado um circuito de fonte de alimentação regulado que pode produzir tensões constantes de 9V e -9V com corrente máxima de 1A.
O circuito de alimentação projetado neste projeto usa IC regulador de tensão 7809 e 7909 e usa etapas convencionais de projeto de circuito de potência, como redução da tensão CA, conversão de tensão CA em tensão CC e suavização da tensão CC para obter entrada direta da rede CA.

Componentes necessários –

Fazendo um disjuntor
Fig. 1: Lista de componentes necessários para fonte de alimentação simétrica constante +/-9V DC

Diagrama de bloco –

Fazendo um disjuntor
Fig. 2: Diagrama de blocos da fonte de alimentação simétrica constante +/- 9V DC

Conexões de Circuito –

O circuito é construído em etapas, sendo cada etapa voltada para uma finalidade específica. Para reduzir os 230 V CA, é utilizado um transformador de 12 V – 0 -12 V. Os terminais da bobina secundária do transformador são conectados a um retificador de ponte completa e um fio é retirado da fita central do transformador para servir como terra comum. 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 os cátodos de D3 e o ânodo de D4 são conectados ao outro terminal da bobina. Os cátodos de D2 e ​​D4 são conectados, dos quais um terminal é retirado da saída do retificador e os ânodos de D1 e D3 são conectados, dos quais outro terminal é retirado da saída do retificador de onda completa.
Um fusível de 1A é conectado em série à saída do retificador de onda completa para proteção contra fontes CA. Os capacitores de 470 uF (mostrados como C1 e C2 nos esquemas) são conectados entre os terminais de saída de um retificador de onda completa para fins de suavização. Para regulação de tensão, os ICs LM-7809 e 7909 são conectados em paralelo aos capacitores de suavização. A saída é extraída dos terminais de saída de tensão dos CIs reguladores. Os capacitores de 220 uF (mostrados como C3 e C4 nos esquemas) são conectados aos terminais de saída do circuito de potência para compensar correntes transitórias.

Como funciona o circuito –

O circuito de potência opera em estágios, 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. Regulação de tensão
5. Compensação de correntes transitórias
6. 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 V CA, que precisa ser reduzida ainda mais para o nível de 9 V. Para reduzir 220 Vca para 9 Vca, é usado um transformador abaixador com fita central. O uso do transformador de derivação central permite utilizar polaridades positivas e negativas da tensão na entrada. O circuito sofre alguma queda na tensão de saída devido à perda resistiva. Portanto, um transformador com classificação de alta tensão superior aos 9 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 12V-0-12V/2A. Este transformador reduz a tensão da linha principal para +/- 12 Vca, conforme mostrado na imagem abaixo.
Diagrama de circuito do transformador 12-0-12V
Fig. 3: Diagrama do Circuito do Transformador 12-0-12V
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, uma ponte retificadora de onda completa é usada para converter 24 Vca em 24 Vcc. 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.
Diagrama de circuito do retificador de onda completa
Fig. 4: Diagrama de Circuito do Retificador de Onda Completa
Durante o meio ciclo positivo da alimentação, os diodos D2 e ​​D3 conduzem em série, enquanto os diodos D1 e D4 são polarizados reversamente e a corrente flui através do terminal de saída passando por D2, terminal de saída e D3. Durante o meio ciclo negativo da alimentação, os diodos D1 e D4 conduzem em série, mas os diodos D3 e D2 são polarizados reversamente e a corrente flui através de D1, terminal de saída e D4. A direção da corrente em ambos os sentidos através do terminal de saída em ambas as condições permanece a mesma.
Diagrama de circuito mostrando o ciclo positivo do retificador de onda completa
Fig. 5: Diagrama de Circuito mostrando o ciclo positivo do Retificador de Onda Completa
Diagrama de circuito mostrando o ciclo negativo do retificador de onda completa
Fig. 6: Diagrama de circuito mostrando o ciclo negativo do retificador de onda completa
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.
Suavização
Suavização é o processo de 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 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, capacitores de 470 uF (mostrados como C1 e C2 nos esquemas) de alto valor são conectados 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.
Diagrama de circuito do capacitor de suavização
Fig. 7: Diagrama de Circuito do Capacitor de Suavização
Regulação de tensão
Para fornecer +/- 9 V regulados na saída, são usados ​​ICs LM-7809 e 7909. Esses ICs são capazes de fornecer corrente de até 1A. O IC 7809 é um regulador de tensão positivo que fornece +9V estável na saída com uma alimentação de entrada positiva de 12V. Para obter uma tensão negativa na saída é utilizado um regulador de tensão negativa 7909. Ele fornece -9V na saída em uma entrada de -12V. O IC 7809 fornece uma tensão de saída na faixa de 8,6 V a 9,4 V com a faixa de tensão de entrada de 11,5 V a 24 V, enquanto o IC 7909 fornece uma tensão de saída na faixa de -8,6 V a -9,4 V com a faixa de tensão de entrada de -11,5V a -23V. O aterramento comum é fornecido pelo terminal central do transformador. Ambos os CIs reguladores são capazes de regular a carga por conta própria. Eles fornecem tensão regulada e estabilizada na saída, independentemente da flutuação na tensão de entrada e na corrente de carga.
Os ICs LM7809 e 7909 têm a seguinte dissipação de energia tolerável internamente –
Pout = (Temperatura máxima de operação do IC)/ (Resistência Térmica, Junção-Ar + Resistência Térmica, Junção-Caixa)
Pout = (125) / (65+5) (valores conforme ficha técnica)
Faneca = 1,78W
Portanto, ambos os CIs reguladores de tensão podem sustentar internamente uma dissipação de energia de até 1,78W. Acima de 1,78W, os CIs não tolerarão a quantidade de calor gerada e começarão a queimar. Isso também pode causar um sério risco de incêndio. Portanto, o dissipador de calor é necessário para dissipar o calor excessivo dos CIs.
Compensando Correntes Transitórias
Nos terminais de saída do circuito de potência, capacitores de 220 uF (mostrados como C3 e C4 nos esquemas) são conectados em paralelo. Esses capacitores auxiliam na resposta rápida a transientes de carga. Sempre que a corrente de carga 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 220 uF então,
C = 220uF
Iout = 220u (0,1/100u)
Iout = 220mA
Desta forma pode-se concluir que o capacitor de saída responderá a uma mudança de corrente de 220mA para um tempo de resposta transitório de 100 us.
Diagrama de circuito do compensador de corrente transitória
Fig. 8: Diagrama de circuito do compensador de corrente transitória
Proteção contra curto-circuito
Um diodo D5 é conectado entre os terminais de entrada e saída de tensão do IC 7809 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 C3 está totalmente carregado. Portanto, nesse caso, o diodo é polarizado diretamente e toda a corrente de descarga do capacitor passa através de um diodo para o terra. Isso salva o IC 7809 da corrente reversa. Da mesma forma, um diodo D6 é conectado entre os terminais de entrada de tensão e de saída de tensão do IC 7909, que protege o IC da descarga do capacitor C4 através do regulador quando a entrada está em curto.
Diagrama de circuito de proteção contra curto-circuito
Fig. 9: Diagrama de circuito de proteção contra curto-circuito

Testes e precauções –

As seguintes precauções devem ser tomadas durante a montagem do circuito –
• 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 ICs 7809 e 7909 sofrem queda de tensão em torno de 2 a 3 V. Assim, a tensão de entrada deve ser 2 V a 3 V maior que a tensão máxima de saída e deve estar no limite da tensão de entrada dos CIs reguladores. .
• 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 o CI do regulador só pode 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.
Uma vez montado o circuito, ele pode ser testado com um multímetro. Meça a tensão de saída nos terminais dos CIs 7809 e 7909. Em seguida, meça as saídas de tensão quando as cargas estiverem conectadas.
No IC regulador 7809, a tensão de entrada é 12V e a tensão de saída é 9,04V. Com uma carga de resistência de 20 Ω, a tensão de saída é lida em 8,03 V mostrando uma queda de tensão de 1,01 V. A corrente de saída é medida em 400 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 20 Ω é a seguinte –
Pout = (Vin – Vout)*Iout
Beicinho = (12–8,03)*0,4
Faneca = 1,58W
No regulador IC 7909, a tensão de entrada é -12V e a tensão de saída é -9,18V. Com uma carga de resistência de 20 Ω, a tensão de saída é lida -9,11 V mostrando uma queda de tensão de 0,07 V. A corrente de saída é medida em 455 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 20 Ω é a seguinte –
Pout = (Vin – Vout)*Iout
Pout = (-12 – (-9,11)*0,455 (a dissipação de energia não pode ser negativa)
Faneca = 1,3 W
A partir dos testes acima, pode-se observar que a dissipação de potência é sempre inferior a 1,78W (limite tolerável interno dos ICs 7809 e 7909). Ainda assim, recomenda-se a utilização de um dissipador de calor para auxiliar no resfriamento do IC e aumentar sua vida útil.
O circuito de fonte de alimentação projetado neste projeto pode ser usado para alimentar chipsets que requerem uma fonte de alimentação negativa, como amplificadores operacionais, amplificadores bipolares e circuitos multivibradores. O circuito também pode ser usado como adaptador de energia 9V 1A.

Vídeo do projeto

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