Nos projetos anteriores foram projetados circuitos de alimentação ajustáveis. Às vezes, a tensão para acionar um circuito específico já é conhecida e o circuito de fonte de alimentação para produzir uma tensão constante precisa ser projetado. Neste projeto, um circuito de alimentação constante de 12V é projetado com o objetivo de alimentar circuitos de LED. O circuito precisa ser projetado de forma que esteja livre de quaisquer flutuações ou ondulações. O circuito receberá a alimentação das fontes CA principais e a converterá em uma fonte CC de 12 V sem ondulação. O circuito será capaz de consumir uma corrente máxima de 1A.
Em circuitos de LED, o excesso de fluxo de corrente através dos LEDs superior à sua classificação de corrente direta pode aumentar sua temperatura além do limite, danificando-os permanente ou temporariamente. Portanto, uma fonte de tensão constante é necessária em tais casos. Um único LED ou uma combinação de LEDs que requer entrada líquida de 12V pode ser conectado à saída do circuito projetado neste projeto.
O circuito de alimentação projetado neste projeto usa IC regulador de tensão 7812 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 –
Fig. 1: Lista de componentes necessários para fonte de alimentação constante de 12 V para circuitos de LED
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos de fonte de alimentação constante de 12 V para circuitos de LED
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 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 o cátodo de D4 e o ânodo de D3 são conectados à fita central 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 retirado da fita central do transformador que serve como aterramento para as saídas CC positivas e negativas.
Um fusível de 1A é conectado em série à saída do retificador de onda completa para proteção contra fontes CA. 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, o IC LM-7812 é conectado em paralelo ao capacitor de suavização. A saída é extraída do terminal de saída de tensão do 7812 IC.
Como funciona o circuito –
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. Regulação de tensão
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 ainda 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 a tensão positiva será extraída 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 1A 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 +/- 18 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, uma ponte retificadora de onda completa é usada para converter 36 Vca em 36 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.
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 1N4007 são escolhidos para construir o retificador de onda completa porque eles têm a classificação de corrente direta máxima (média) de 1A e na condição de polarização reversa, eles podem sustentar tensão inversa de pico de até 1000V. Aquilo é por que Diodos 1N4007 são usados neste projeto para retificação de onda completa.
Suavização
Suavização 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 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
Regulação de tensão
Para fornecer 12 V regulados na saída, é usado um IC LM7812. Este IC é capaz de fornecer corrente de até 1A. Ele fornecerá tensão regulada e estabilizada na saída independentemente das variações na tensão de entrada e na corrente de carga. O IC LM7812 pode ter tensões de entrada de 14,8 V a 27 V e fornece uma tensão de saída constante de 11,5 V a 12,5 V. O IC é capaz de fornecer corrente máxima de 1A na saída.
O LM7812 possui a seguinte dissipação de energia tolerável internamente:
Pout = (Temperatura máxima de operação do IC)/ (Resistência Térmica, Junção-Ambiente + Resistência Térmica, Junção-Caixa)
Pout = (125) / (65+5) (valores conforme ficha técnica)
Faneca = 1,78W
Portanto, o LM7812 pode sustentar internamente uma dissipação de energia de até 1,78W. Acima de 1,78W, 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.
Fig. 8: Diagrama do Circuito do Regulador de Tensão para Fonte de Alimentação Constante de 12V
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 7812 sofre 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 (14,5 V-27 V ) do LM7812.
• 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 ruídos 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.
• 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 do 7812 IC e comece a testá-la com circuitos da série LED.
Vamos primeiro testar o circuito com LEDs de 1,8V. No máximo 6 LEDs desta classificação podem ser conectados em série na saída com um resistor limitador de 68 ohms. Cada LED precisa de aproximadamente 1,8 V para ser polarizado diretamente e começar a brilhar. A tensão de entrada do circuito é 12V,
Vin = 12V (de 7812)
A queda total de tensão em 6 LEDs será de 10,8 V,
V = 1,8 *6 = 10,8 V
A corrente de saída fornecida por esta fonte de alimentação/Corrente consumida pelo circuito será –
I = (Tensão de entrada – queda de tensão nos LEDs) /R1
Eu = (12 – 10,8)/68
Eu = 17,6 mA
Para um LED de 1,8 V, são necessários aproximadamente 20 mA de corrente direta para uma iluminação adequada sem quebrar seu limite de corrente direta. Somente para este propósito, uma resistência em série (neste caso 68 ohms) é usada para limitar a corrente.
A dissipação de energia do IC LM7812 com este circuito de LED como carga será:
Dissipação de energia
P out = (Vin – Vout)*Iout
Beicinho = (12-10,8) *(0,0176)
Faneca = 21,12 mW
Fig. 9: Diagrama de Circuito da Série LED
Testar o circuito com LEDs de 2,2 V leva aos seguintes resultados. No máximo 5 LEDs desta classificação podem ser conectados em série na saída com um resistor limitador de 47 ohms. Cada LED precisa de aproximadamente 2,2 V para ser polarizado diretamente e começar a brilhar. A tensão de entrada do circuito é 12V,
Vin = 12V (de 7812)
A queda total de tensão em 5 LEDs será de 11 V,
V = 2,2 *5 = 11V
A corrente de saída fornecida por esta fonte de alimentação/Corrente consumida pelo circuito será –
I = (Tensão de entrada – queda de tensão nos LEDs) /R1
Eu = (12 – 11)/47
Eu = 21,2 mA
Para um LED de 2,2 V, são necessários aproximadamente 25 mA de corrente direta para uma iluminação adequada sem quebrar seu limite de corrente direta. Somente para este propósito, uma resistência em série (neste caso 47 ohms) é usada para limitar a corrente.
A dissipação de energia do IC LM7812 com este circuito de LED como carga será:
Dissipação de energia
P out = (Vin – Vout)*Iout
Saída P = (12-11) *(0,0212)
Saída P = 21,2mW
Fig. 10: Diagrama de Circuito da Série LED
Testar o circuito com LEDs de 3,3 V leva aos seguintes resultados. No máximo 3 LEDs desta classificação podem ser conectados em série na saída com um resistor limitador de 6 ou 7 ohms. Cada LED precisa de aproximadamente 3,3 V para ser polarizado diretamente e começar a brilhar. A tensão de entrada do circuito é 12V,
Vin = 12V (de 7812)
A queda total de tensão em 3 LEDs será de 10 V,
V = 3,3 *3 = 9,9 V
A corrente de saída fornecida por esta fonte de alimentação/Corrente consumida pelo circuito será –
I = (Tensão de entrada – queda de tensão nos LEDs) /R1
Eu = (12 – 9,9)/6
Eu = 350 mA
Para um LED de 3,3 V, aproximadamente 300-350 mA de corrente direta são necessários para uma iluminação adequada sem quebrar seu limite de corrente direta. Somente para este propósito, uma resistência em série (neste caso 6 ou 7 ohms) é usada para limitar a corrente.
A dissipação de energia do IC LM7812 com este circuito de LED como carga será:
Dissipação de energia
P out = (Vin – Vout)*Iout
Saída P = (12-9,9) *(0,350)
Saída P = 735mW
Fig. 11: Diagrama de Circuito da Série LED
Outras combinações de LED também podem ser testadas, desde que seja usado o resistor limitador de corrente correto e considerando que o requisito de corrente de entrada do circuito (combinação de LEDs) não deve ser superior a 1A. A partir dos testes acima, pode-se observar que a dissipação de potência é sempre inferior a 1,78W (limite interno tolerável de 7812). 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 alimentação projetado neste projeto pode ser utilizado para fornecer energia a faixas e cordas de LED. Também pode ser usado para alimentar placas de LED. Em geral, qualquer circuito que requeira uma alimentação constante de 12 Vcc com limite de corrente de 1 A pode ser alimentado com esta unidade de alimentação.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-constante-12V-fonte de alimentação-LED-Circuitos |  |
