Mini fonte de alimentação ajustável de 0 a 15V 1A (Parte 3/13)

O circuito terá entrada de 220 V-230 V CA e gera uma tensão CC variável na faixa de 0 V a 15 V na saída. Esta fonte de alimentação pode fornecer uma corrente máxima de 1A na saída.

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 proteção contra curto-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. 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 1N4007 entre si designados como D1, D2, D3 e D4 nos esquemas. O cátodo de D1 e o ânodo de D3 são conectados a uma das bobinas secundárias e o cátodo de D2 e ​​o ânodo de D3 são conectados à fita central. 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 capacitor de 470 uF (mostrado como C1 no esquema) é conectado entre os terminais de saída de um 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 série ao regulador de tensão IC para ajuste de tensão e um capacitor de 220 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.

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

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 15 V. Para reduzir 220 Vca para 15 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 15 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 ​​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.

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.

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 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.

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 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 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.

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. Para fornecer 0V a 15V regulados, o IC LM317 é usado. O IC regulador de tensão é capaz de fornecer uma corrente de 1,5A, portanto é adequado para o requisito de corrente de 1A. Neste circuito, o LM317 fornecerá uma tensão ajustável correspondente à sua tensão de entrada. O IC é capaz de regular a carga por si só. Ele fornece uma tensão regulada e estabilizada na saída, independentemente da flutuação na tensão de entrada e na corrente de carga.

LM317 é um regulador de tensão positiva que fornece saída na faixa de 1,25V a 37V com tensão de entrada de até 40V. Na saída, pode fornecer uma corrente máxima de 1,5A conforme folha de dados sob condições ideais.

Para definir a tensão desejada na saída, é utilizado um circuito divisor de tensão resistivo entre o pino de saída e o terra (fita central do transformador). O circuito divisor de tensão possui um resistor de programação (resistor fixo) e outro resistor variável. Tomando uma relação perfeita entre o resistor de feedback (resistor fixo) e um resistor variável, pode-se obter o valor desejado da tensão de saída correspondente à tensão de entrada. Neste circuito, a resistência R1 é usada como resistência de programação para LM317. As resistências variáveis ​​RV1 são usadas para variar a tensão de saída no regulador de tensão IC.

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 = 2W

Portanto, o LM317 pode sustentar internamente uma dissipação de energia de até 2W. Acima de 2W, 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.

A tensão de saída pode ser variada usando o pino de ajuste do LM317 IC. O resistor variável RV1 é usado para variar a tensão na saída de 0V a 15V. Como a saída mínima do LM317 é 1,25V, dois diodos 1N4007 são conectados em série com um resistor de 1K (mostrado como R2 nos esquemas) para tornar a saída mínima próxima de 0V. Cada diodo sofre uma queda de 0,7 V e a queda restante é obtida pelo resistor de 1k. Assim, na saída obtém-se uma tensão mínima de 0,3V e uma tensão máxima de 15,35V.

Um diodo D7 é conectado entre os terminais de entrada e 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 para o terra. Isso salva o IC LM317 da corrente reversa.

No circuito, dois diodos já estão conectados em série na saída o que impede o IC de contracorrente. Portanto, não é necessário conectar um diodo de proteção neste circuito; ainda assim, conectar um diodo de proteção através do regulador de tensão apenas fornece uma camada extra de segurança.

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 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.

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 18V e ao ajustar a resistência variável, a tensão de saída estava entre 0,34 a 15,35V quando nenhuma carga estava conectada. Os valores esperados eram de 0V a 15V. Portanto, o erro percentual acaba sendo –

%Erro= (Valor experimental – valor esperado)*100/Valor esperado

% de erro = (15,35 – 15)* 100/15

% Erro = 2,3%

Quando uma carga é conectada na saída a tensão máxima é lida como 15,35V. Com uma carga de resistência de 470Ω, a tensão de saída é lida como 15,35 V, não mostrando queda de tensão. A corrente de saída é medida em 38,2 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 470Ω é a seguinte –

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Biquinho = (18-15,35) *(0,0328)

Faneca = 86 mW

Com uma carga de resistência de 47Ω, a tensão de saída é lida em 15V mostrando uma queda de tensão de 0,35 V. A corrente de saída é medida em 310 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 47Ω é a seguinte –

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Beicinho = (18-15) *(0,310)

Faneca = 0,93W

Com uma carga de resistência de 14,1Ω, a tensão de saída é lida em 13V mostrando uma queda de tensão de 2,35 V. A corrente de saída é medida em 870 mA, então a dissipação de energia na carga de resistência de 14,1Ω é a seguinte –

Pout = (Vin – Vout)*Iout

Beicinho = (18-13) *(0,870)

Faneca = 4,35W

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. A partir da experiência prática acima, a dissipação de energia no IC é superior aos seus limites internos toleráveis. Portanto, é recomendável usar 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 como um adaptador de energia portátil para aparelhos e dispositivos eletrônicos comuns. Também pode ser usado como estação de energia para circuitos eletrônicos e testes de componentes.

Diagrama de circuito-ajustável-0-15V-1A-Mini-fonte de alimentação