Dobrador de tensão usando 555 IC (Parte 11/13)

Componentes necessários –

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 regular a alimentação para o nível de 12 V, primeiro, um capacitor de 470 uF (mostrado como Cin 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 1 uF (mostrado como Cout no esquema) é conectado à saída do regulador de tensão para compensar correntes transitórias. Um diodo D5 é conectado entre os terminais de tensão de entrada e tensão de saída do IC regulador de tensão para proteção contra curto-circuito. Um circuito multivibrador astável no 555 IC é montado no terminal de saída do regulador de tensão com um capacitor de carga de 22 nF conectado nos terminais de saída da fonte. O circuito multivibrador carrega e descarrega o capacitor para produzir tensão dupla.

O funcionamento do circuito pode ser dividido nas seguintes operações –

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. Proteção contra curto-circuito

7. Duplicação de tensão usando multivibrador astável

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, um capacitor de 470 uF (mostrado como Cin no esquema) 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. O 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.

O IC regulador de tensão 7812 é usado para obter 11,5 V constantes da tensão de entrada. O IC 7812 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. O IC tem limite máximo de corrente de 1A. Na saída do LM7812, um potenciômetro RV1 está conectado. A ponta de prova variável de RV1 está conectada à entrada de 555 IC. Este potenciômetro ajuda a fornecer a tensão de entrada variável ao 555 IC. A faixa de tensão de saída deste RV1 é de 5V a 12V. Portanto, uma tensão variável é obtida na saída.

Nos terminais de saída do regulador de tensão, um capacitor de uF (mostrado como Cout no esquema) é conectado em paralelo. O capacitor ajuda na resposta rápida aos 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 10 uF, então,

C = 1uF

Iout = 1u (0,1/100u)

Iout = 1mA

Desta forma pode-se concluir que o capacitor de saída responderá a uma mudança de corrente de 1mA para um tempo de resposta transitório de 100 us.

O diodo D5 é conectado entre os terminais de entrada de tensão e de saída de tensão do 7812 IC, para evitar que os capacitores externos (Cout nos esquemas) sejam descarregados 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 o capacitor 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 do regulador da corrente de retorno.

O IC 555 em modo multivibrador astável é usado na saída do regulador de tensão. No modo astável, o 555 gera uma onda quadrada na saída. No modo astável, o multivibrador não possui estado estável e sua saída continua oscilando entre dois estados instáveis. Portanto na saída, uma onda quadrada é obtida pelo multivibrador.

O período de tempo ou frequência da onda quadrada é obtido pela constante de tempo resistor-capacitor.

A frequência de onda quadrada para multivibrador astável pode ser determinada pela seguinte fórmula –

F = 1,44/ (R1+ (2*R2))*C1

Colocando todos os valores,

F=2,7kHz

No circuito, o pino 3 é a saída do IC 555, portanto, uma onda quadrada de frequência de 2,7kHz está disponível no pino 3 do IC. Neste pino, é produzida uma onda com ciclo de trabalho de 50% (período de tempo igual para o nível alto e baixo). São dois capacitores (C3 e C4) e dois diodos (D6 e D7) conectados ao pino 3 que auxiliam no fornecimento do dobro da tensão de entrada na saída. Quando o pino 3 do IC está em baixa tensão, o diodo D6 é polarizado diretamente e o capacitor C3 começa a carregar via D6 de 0V até a tensão ajustada obtida do potenciômetro.

Na segunda metade do ciclo, quando o pino 3 está em alta tensão, o diodo D6 fica polarizado inversamente. Isto evita a descarga do capacitor C3 e o diodo D7 fica na condição de polarização direta. Portanto C4 inicia o carregamento via C3 (C3 estava totalmente carregado no estágio anterior) e também através da alimentação de entrada do potenciômetro de 12V. A tensão do capacitor C3 e da fonte de entrada se soma e, portanto, a tensão de carga de C4 é o dobro da tensão de alimentação de entrada. Portanto, o dobro da tensão de entrada é obtido na saída.

As seguintes precauções devem ser tomadas durante a montagem do circuito –

• A tensão de entrada do NE555 não deve ser excedida além de 16V, caso contrário poderá danificar o IC.

• A tensão nominal dos capacitores C3 e C4 deve ser o dobro da tensão de entrada (isto é, tensão máxima da saída ajustável).

• A tensão de saída não é exatamente o dobro da tensão de entrada devido à queda de tensão no próprio circuito.

• Os diodos de saída (D6 e D7 nos esquemas) devem ter uma baixa queda de tensão direta, caso contrário, reduzirá a tensão de saída. Os diodos Schottky como 1N5819 podem ser usados ​​porque possuem uma baixa queda de tensão direta.

• A tensão nominal de um transformador abaixador deve estar entre 14,5 V e 27 V, que é a tensão de entrada necessária para o LM-7812. Somente nesta faixa, o 7812 será capaz de fornecer uma tensão de saída constante regulada entre 11,4 V e 12,6 V. Isso se deve ao fato de que o próprio LM-7812 sofre uma queda de tensão em torno de 2 a 3 V.

• 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.

• 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.

• 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.

Depois que o circuito estiver montado, ajuste a tensão de entrada usando um potenciômetro e meça a tensão de saída. Durante o teste do circuito foram observadas as seguintes leituras –

Portanto, a tensão de saída é quase o dobro da tensão de entrada.

Este circuito pode ser usado no Contador Geiger para produzir alta tensão para o Tubo Geiger-Muller. Também pode ser usado na detecção de tensão e no ajuste da tensão de referência (especialmente em conversores analógico-digitais).

Diagrama de circuito-555-IC-Based-Voltage-Doubler