Fonte de alimentação de bancada tripla (Parte 8/13)

Nos projetos anteriores foram feitas fontes de alimentação ajustáveis ​​e fontes de alimentação simétricas em tensão constante. Neste projeto será projetada uma fonte de alimentação assimétrica. A fonte de alimentação de bancada tripla atua como uma fonte de alimentação fornecendo três tensões constantes diferentes. Os diferentes níveis de tensão são extraídos usando um único transformador. A fonte de alimentação de bancada tripla projetada neste projeto fornece 5V, 9V e 12V na saída com 1A como limite máximo de corrente para cada tensão. As tensões de saída são fontes reguladas independentes das flutuações indesejadas na tensão de entrada.

O circuito de alimentação projetado neste projeto usa IC regulador de tensão 7805, 7809 e 7812 para produzir fontes reguladas de 5V, 9V e 12V. As etapas convencionais de projeto de circuito de potência, como redução da tensão CA, conversão da tensão CA em tensão CC e suavização da tensão CC para obter entrada direta da rede CA, são empregadas para montar o circuito de bancada triplo.

Em primeiro lugar, para reduzir os 230 V CA, é utilizado um transformador de fita central 18V-0-18V. 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.

Para alimentação de 5 V, um fusível de 1 A é conectado em série à saída do retificador de onda completa para proteção contra fontes CA. Um capacitor de 100 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-7805 é conectado paralelamente ao capacitor de suavização. A saída é extraída do terminal de saída de tensão do 7805 IC. Um capacitor de 10 uF (mostrado como C2 no esquema) é conectado à saída da fonte para compensar correntes transitórias.

Para alimentação de 9V, novamente um fusível de 1A é conectado em série à saída do retificador de onda completa para proteção contra fontes CA. Um capacitor de 100 uF (mostrado como C3 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-7809 é conectado paralelamente ao capacitor de suavização. A saída é extraída do terminal de saída de tensão do 7809 IC. Um capacitor de 10 uF (mostrado como C4 no esquema) é conectado à saída da fonte para compensar correntes transitórias.

Da mesma forma para alimentação de 12V, novamente um fusível de 1A é conectado em série à saída do retificador de onda completa para proteção contra fontes CA. Um capacitor de 100 uF (mostrado como C5 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 paralelamente ao capacitor de suavização. A saída é extraída do terminal de saída de tensão do 7812 IC. Um capacitor de 10 uF (mostrado como C6 no esquema) é conectado à saída da fonte para compensar correntes transitórias.

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

A tensão das fontes principais é de aproximadamente 220-230 Vca, 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 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.

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.

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.

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. Portanto, capacitores de 100 uF (mostrados como C1, C3 e C5 nos esquemas) 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. Esses capacitores atuam como um capacitor de filtragem que desvia toda a CA através deles para o solo. Na saída, a tensão CC média restante é mais suave e livre de ondulações.

As tensões de saída são extraídas dos três CIs reguladores. Para obter três tensões diferentes na saída, são usados ​​três reguladores. A saída de 5 V é obtida do IC 7805, os 9 V são obtidos do IC 7809 e 12 V são obtidos do IC 7812 na saída. Esses ICs fornecem uma tensão de saída constante e regulada. Conseqüentemente, qualquer flutuação e picos indesejados na tensão de entrada não afetam a tensão de saída.

O IC 7805 fornece uma tensão de saída na faixa de 4,75 V a 5,25 V com a faixa de tensão de entrada de 7 V a 20 V. 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. O IC LM7812 pode ter tensões de entrada de 14,5 V a 27 V e fornece uma tensão de saída constante de 11,4 V a 12,6 V. Os ICs têm limite máximo de corrente de 1A.

Esses ICs têm 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, 7805, 7809 e 7812 podem sustentar internamente até 1,78W de dissipação de energia. Acima de 1,78W, esses ICs 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.

Nos terminais de saída do circuito de potência, capacitores de 10 uF (mostrados como C2, C4 e C6 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 esses capacitores 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 10 uF é usado, 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.

Os diodos D5, D6 e D7 são conectados entre os terminais de entrada e saída de tensão dos CIs 7805, 7809 e 7812 respectivamente, para que possam evitar que os capacitores externos (C2, C4 e C6 respectivamente) sejam descarregados através dos respectivos CIs 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 o respectivo capacitor 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 respectivo IC do regulador da corrente de retorno.

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 CIs 7805, 7809 e 7812 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 de 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 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.

• O diodo de proteção deve sempre ser usado ao usar o 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.

Uma vez montado o circuito, ele pode ser testado com um multímetro. Meça a tensão de saída nos terminais dos CIs 7805, 7809 e 7812. Em seguida, meça as saídas de tensão quando as cargas estiverem conectadas.

No regulador IC 7805, a tensão de entrada é 12V e a tensão de saída é 5,06V. Com uma carga de resistência de 5 Ω, a tensão de saída é lida em 3,43 V mostrando uma queda de tensão de 1,63 V. A corrente de saída é medida em 590 mA. Com uma carga de resistência de 10 Ω, a tensão de saída é lida como 4,08 V, mostrando uma queda de tensão de 0,98 V. A corrente de saída é medida em 370 mA. então a dissipação de energia em uma carga de resistência de 10 Ω é a seguinte-

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Beicinho = (18–4,08)*0,370

Faneca = 5,2W

No IC regulador 7809, a tensão de entrada é 12V e a tensão de saída é 9,15V. Com uma carga de resistência de 20 Ω, a tensão de saída é lida em 8,18 V mostrando uma queda de tensão de 0,97 V. A corrente de saída é medida em 400 mA. Com uma carga de resistência de 10 Ω, a tensão de saída é lida em 7,38 V mostrando uma queda de tensão de 1,77 V. A corrente de saída é medida em 680 mA. então a dissipação de energia em uma carga de resistência de 20 Ω é a seguinte-

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Beicinho = (18 –8,18)*0,4

Beicinho = 3,9W

No regulador IC 7812, a tensão de entrada é 12V e a tensão de saída é 12,22V. Com uma carga de resistência de 20 Ω, a tensão de saída é lida como 10,86 V mostrando uma queda de tensão de 1,36 V. A corrente de saída é medida em 490 mA. Com uma carga de resistência de 10 Ω, a tensão de saída é lida como 9,02 V, mostrando uma queda de tensão de 3,2 V. A corrente de saída é medida em 830 mA. então a dissipação de energia com uma carga de resistência de 20 Ω é a seguinte –

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Beicinho = (18 – 10,86)*0,490

Beicinho = 3,5W

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 7805, 7809 e 7812 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 nos CIs 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 projetado neste projeto pode ser usado como fonte de alimentação regulada e instalado como adaptadores de energia padrão. Ele pode ser usado para polarizar Chips Integrados que requerem tensões diferenciais.

Diagrama de circuito-bancada tripla-fonte de alimentação