Fonte de alimentação ajustável usando LM317 (Parte 7/13)

O LM317 é comumente usado para regulação de tensão em circuitos DC. O IC é um dos populares reguladores de tensão positiva ajustáveis ​​que vem com recursos como proteção contra sobretensão, limitação de corrente interna, proteção contra sobrecarga, baixa corrente quiescente (para saída mais estável) e compensação de área segura (seus circuitos internos limitam a dissipação máxima de energia, então não se autodestrói). Além de muitos recursos, menos componentes são necessários para torná-lo operacional. Assim, o regulador LM317 é fácil de usar e montar em um circuito.
Neste projeto, uma fonte de alimentação ajustável usando LM317 é projetada, que alimenta as principais fontes CA (220V-230V CA) e produz tensão CC abaixo de 12V. O LM317 tem uma tensão de saída ajustável de 1,28 V a 11 V e consome no máximo 1,5 A de corrente.
As etapas convencionais do circuito de potência projetado são seguidas durante a montagem deste circuito, incluindo 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 proteção contra curto-circuito.

Componentes necessários –

Lista de componentes necessários para fonte de alimentação ajustável baseada em IC LM317
Fig. 1: Lista de componentes necessários para a fonte de alimentação ajustável baseada em IC LM317

Diagrama de bloco –

Diagrama de blocos da fonte de alimentação ajustável baseada em IC LM317
Fig. 2: Diagrama de blocos da fonte de alimentação ajustável baseada em IC LM317
Conexões de Circuito
O circuito é montado seguindo etapas convencionais de projeto de circuito de potência. Para reduzir os 230 V CA, é utilizado um transformador de 12 V – 0 -12 V. Uma extremidade da bobina secundária do transformador e sua fita central são conectadas 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 o cátodo de D4 e o ânodo de D3 são conectados à fita central. Os cátodos de D2 e ​​D3 são conectados, dos quais um terminal é retirado para saída do retificador e os ânodos de D1 e D4 são conectados, dos quais outro terminal é retirado para saída do retificador de onda completa.
Um capacitor de 0,1 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 o LM317 é conectado em paralelo ao capacitor de suavização. Uma resistência variável é conectada em configuração de divisor de tensão resistiva com o regulador IC para ajuste de tensão e um capacitor de 1 uF (mostrado como C2 nos esquemas) é conectado em paralelo na saída para compensar correntes transitórias. Há um diodo conectado entre os terminais de tensão de entrada e de saída do IC regulador 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.

Como funciona o circuito –

O circuito de alimentação projetado aqui recebe entrada das fontes CA principais e tem o circuito montado 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
Conversão CA para CA
A tensão das fontes principais é de aproximadamente 220-230 V CA, que precisa ser reduzida para o nível de 12 V. Para reduzir 220 Vca para 12 Vca, é usado um transformador abaixador com fita central. O uso do transformador de derivação central permite gerar tensões positivas e negativas na entrada, porém apenas tensões positivas serão extraídas do transformador. O circuito sofre alguma queda na tensão de saída devido à perda resistiva. Portanto, um transformador com classificação de alta tensão superior aos 12 V exigidos precisa ser utilizado. O transformador deve fornecer corrente de 1,5 A 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.
Símbolo do circuito do transformador 12-0-12 V
Fig. 3: Símbolo do Circuito do Transformador 12-0-12 V
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 ​​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 D4 e D2 são polarizados reversamente e a corrente flui através de D1, terminal de saída e D3. A direção da corrente em ambos os sentidos através do terminal de saída em ambas as condições permanece a mesma.
Imagem mostrando o ciclo negativo no retificador de onda completa
Fig. 5: Imagem mostrando ciclo negativo no Retificador de Onda Completa
Imagem mostrando o ciclo positivo no retificador de onda completa
Fig. 6: Imagem mostrando ciclo positivo no Retificador de Onda Completa
Os diodos SR560 são escolhidos para construir o retificador de onda completa porque possuem corrente direta máxima (média) de 2A e, em condição de polarização reversa, podem sustentar tensão inversa de pico de até 36V. É por isso que diodos SR560 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, 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. Um capacitor de 0,1 uF é usado para suavizar o sinal AC.
Diagrama de circuito do capacitor de suavização
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) é conectado em paralelo. Este capacitor auxilia na resposta rápida a transitórios 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 um capacitor de 1 uF é usado então,
C = 1uF
Iout = 1 você (0,1/100u)
Iout = 1 mA
Desta forma pode-se concluir que o capacitor de saída responderá a uma mudança de corrente de 1 mA para um tempo de resposta transitório de 100 us.
Diagrama de circuito para compensação de corrente transitória
Fig. 8: Diagrama de circuito para compensação de corrente transitória
Regulação de tensão
LM317 é usado para regulação de tensão. LM317 é um IC regulador de tensão positiva monolítico. Por ser monolítico, todos os componentes são embutidos no mesmo chip semicondutor, tornando o IC pequeno, com menor consumo de energia e baixo custo. O IC possui três pinos – 1) Pino de entrada onde no máximo 40 V DC pode ser fornecido, 2) Pino de saída que fornece tensão de saída na faixa de 1,25 V a 37 V e 3) Pino de ajuste que é usado para variar a tensão de saída correspondente à tensão de entrada aplicada. Para entrada de até 40 V, a saída pode variar de 1,25 V a 37 V.
Existe um OPAM (amplificador operacional) embutido no IC cuja entrada inversora está conectada ao pino de ajuste. A entrada não inversora é definida por uma referência de tensão de band gap cuja tensão é independente da temperatura, fonte de alimentação e carga do circuito. Portanto, o LM317 fornece uma tensão de referência estável de 1,25 V em seu pino de ajuste. A tensão de referência de 317 pode ser de 1,2 V a 1,3 V. A tensão de saída de 317 pode ser ajustada em uma faixa definida usando um circuito divisor de resistor entre a saída e o terra.
Para definir a tensão desejada na saída do LM317, um circuito divisor de tensão resistivo é usado entre o pino de saída e o terra. Pelo efeito desta configuração, a tensão no pino de saída pode ser ajustada. O valor do divisor de tensão resistivo precisa ser escolhido de forma que possa fornecer a faixa de tensão necessária na saída. O circuito divisor de tensão possui um resistor de programação que possui uma resistência fixa (mostrada como R1 nos esquemas) e outra é um resistor variável (mostrado como R2 nos esquemas). Ao definir uma relação perfeita entre o resistor de feedback (resistor fixo) e o resistor variável, a tensão de saída desejada correspondente à tensão de entrada pode ser obtida.
O 317 fornece uma tensão de referência estável de 1,25 V no pino de ajuste. Isso significa que também há uma queda de tensão constante em R1. A corrente no pino de ajuste também é constante e está na faixa de 50 uA a 100 uA. Portanto, uma corrente constante flui através de R1 e também de R2. Portanto, a soma da queda de tensão em R1 e R2 dá Vout como segue –
Vout = Vref*(1+(R2/R2))
Alguma quantidade de corrente quiescente também flui do pino de ajuste; esta corrente adiciona algum termo de erro na equação acima, o que torna a saída instável. É por isso que o IC é projetado de tal forma que a corrente quiescente deve permanecer em microamperes para tornar a saída estável.
Vout = Vref*(1 + (R2/R2)) + Iq*R2
Onde,
Iq = corrente quiescente é a corrente que flui do pino de ajuste quando o circuito não está acionando nenhuma carga.
Como Iq está em 100 uA, o termo Iq*R2 é muito pequeno e pode ser desprezado na equação.
O LM317 fornece corrente de carga mínima de 10mA. Portanto, para manter uma tensão de referência constante de 1,25 V, o valor mínimo da resistência de feedback é
R1 = 1,25/Imin
R1 = 1,25 V/0,010 = 125 ohms
A faixa do resistor variável R1 é de 125 ohms a 1000 ohms e o valor típico de R1 é de 220 ohms a 240 ohms para melhor estabilidade. Usando a equação acima, o valor de R2 também pode ser calculado.
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 = 2 W
Portanto, o LM317 pode sustentar internamente uma dissipação de potência de até 2 W. Acima de 2 W, o IC não tolerará a quantidade de calor gerada e começará a queimar. Isso também pode causar um sério risco de incêndio. Portanto, é necessário um dissipador de calor para dissipar o calor excessivo do IC.
Ajuste de tensão
A tensão de saída pode ser variada usando o pino de ajuste do LM317 IC. O resistor variável R1 é usado para variar a tensão na saída de 1,28 V a 11 V.
Proteção contra curto-circuito
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 C2 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.
Diagrama de circuito para proteção contra curto-circuito
Fig. 9: Diagrama de circuito para 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 o IC 317 sofre 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 da tensão de entrada do LM317.
• 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 1,5 A, um fusível de 1,5 A precisa ser conectado. Este fusível limitará a corrente no regulador em até 1,5 A. Para correntes acima de 1,5 A, o fusível queimará e isso cortará a alimentação de entrada do circuito. Isso protegerá o circuito e os CIs reguladores de correntes superiores a 1,5 A.
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.
Nos terminais de saída a tensão de entrada era de 12 V e ao ajustar a resistência variável, a tensão de saída estava entre 1,28 a 11 V quando nenhuma carga estava conectada.
Depois de definir a tensão de saída para 11 V e conectar uma carga de 20 ohms, a tensão de saída é lida como 10,4 V e a corrente de saída é medida como 520 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 20 Ω é a seguinte –
Pout = (Vin – Vout)*Iout
Beicinho = (12-11) * 0,520
Faneca = 0,52W
Durante o teste do circuito, descobriu-se que quando a demanda de corrente aumenta na saída, a tensão de saída começa a diminuir. À medida que a demanda de corrente aumenta, o IC 317 começa a aquecer e o IC sofre mais quedas, o que reduz a tensão de saída. Embora a partir da experiência prática acima, a dissipação de energia no IC esteja dentro dos limites internos toleráveis, ainda é recomendado o uso de um dissipador de calor para ajudar no resfriamento do IC e aumentar sua vida útil.
O circuito de potência projetado neste projeto pode ser utilizado como fonte reguladora de corrente constante ou como fonte de alimentação ajustável de 1,25 V a 37 Vcc.

Diagramas de circuito

LM317_fonte_de_energia

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