CEFET/SC - Centro Federal de Educação Tecnológica/Santa Catarina
Projeto Integrador: Fonte Regulada 0 a 12V – 1 A com proteção de sobre-corrente sobre-corrente
Equipe:
Edimar Apolinário Egon Kirchof Jhony Cunha
Índice
1. Título ( convencimento convencimento do leitor ) ............................................. ..................................................................... .............................. ...... 4 2. Utilidade ( indicações de uso ) ............................................... ....................................................................... .................................. .......... 4 3. Descrição técnica ......................................... ................................................................ ............................................. ..................................... ............... 4 3.1
Princípio de funcionamento ........................................... ................................................................. ................................ .......... 4
3.2 Aprofundamento do funcionamento de funcionamento..................................... funcionamento.....................................55 3.2.1 Abaixamento da tensão..................... tensão ............................................ .............................................. ................................... ............ 5 3.2.2 Retificação............................... Retificação...................................................... ............................................. ............................................ ........................ 6 3.2.3 Filtragem ............................................. ..................................................................... ............................................... ................................ ......... 7 3.2.4 Proteção.................................................. Proteção........................................................................ ............................................. ............................... ........ 8 3.2.5 Regulagem ( e ajuste ) ........................................... .................................................................. .................................... ............. 10 3.3
Especificações construtivas.............................. construtivas..................................................... ............................................ ..................... 12
3.3.1 Desenho da da placa de circuito impresso..................... impresso ............................................. ................................ ........ 12 3.3.2 Listagem de componentes..................... componentes ............................................. ................................................ ............................ .... 13 4. Montagem do projeto ............................................. ................................................................... ............................................ .......................... .... 15 4.1 Montagem em matriz de contatos contatos ............................................ ................................................................... ......................... 15 4.2 Confecção da placa de ci..................... ci ............................................ .............................................. ...................................... ............... 15 4.3 Soldagem dos componentes...................... componentes ............................................. .............................................. ................................ ......... 16 4.4 Montagem do gabinete................................... gabinete........................................................... ............................................... .......................... ... 17 5. Procedimentos de teste........................ teste ............................................... .............................................. ............................................ ..................... 20 5.1 Orientações para a realização realização de testes....................... testes .............................................. ..................................... .............. 20 5.2 Apresentação dos resultados resultados ........................................... ................................................................. ................................. ........... 22 6. Resultados esperados esperados / obtidos obtidos e considerações considerações finais .......................................... .......................................... 25
Índice de Figuras, Gráficos e Tabelas Figura 1 – Diagrama de blocos do circuito ..................................................................4 Figura 2 – Circuito eletrônico da fonte ........................................................................ 5 Figura 3 – Retificação com ponte de diodos................................................................6 Figura 4 – Exemplo de ripple numa etapa de filtragem...............................................7 Figura 5 – Circuito de proteção usando SCR TIC 106 ................................................ 8 Figura 6 – Regulagem de tensão com Diodo Zenner e Transistor............................. 10 Figura 7 – Curva do diodo Zener ............................................................................... 10 Figura 8 – Placa de circuito impresso ( versão original )..........................................12 Figura 9 – Placa de circuito impresso ( versão original, espelhada )......................... 12 Figura 10 – Placa modificada.....................................................................................13 Figura 11 – Placa modificada ( espelhada ) ............................................................... 13 Figura 12 – Parte de baixo da placa de ci – terminais soldados.................................17 Figura 13 – Gabinete – visão frontal..........................................................................17 Figura 14 – Gabinete – visão lateral .......................................................................... 17 Figura 15 – Gabinete – embaixo ................................................................................ 18 Figura 16 – Gabinete – visão de trás.......................................................................... 18 Figura 17 – Visão interna, vista de cima....................................................................18 Figura 18 – Visão interna - transformador .................................................................19 Figura 19 – Visão interna – ligação entre a placa e a frente da fonte ......................19 Figura 20 – Visão lateral interna................................................................................ 19 Figura 21 – Bancada de testes ....................................................................................20 Figura 22 – Leitura de ripple no osciloscópio............................................................ 21 Gráfico 1 – Ripple em diferentes tensões e cargas .................................................... 23 Gráfico 2 – Queda de tensão: tensão sem e com a carga ...........................................24 Tabela 1 – Resistores utilizados como carga .............................................................21 Tabela 2 – Resultados obtidos nos testes...................................................................22
1. Título ( convencimento do leitor ) Fonte de Alimentação com Regulagem 0 a 12 VDC, 1A , com proteção e alarme ( sonoro e visual ) contra curto e sobre-corrente.
2. Utilidade ( indicações de uso ) Pode ser utilizada como fonte de bancada, para alimentar projetos que estejam em protoboards ou em testes e que precisam de uma tensão específica não encontrada em fontes comerciais ou que sejam sensíveis a uma elevação abrupta de corrente e que precisem, portanto, de proteção contra sobre-correntes. Pode também ser utilizada para alimentação de equipamentos de baixa potência dentro da faixa de tensão disponibilizada, como, por exemplo, rádio-relógios, brinquedos, cd players, ou mesmo como carregador de pilhas. Adicionalmente, pode-se utilizar as três saídas de 220V como extensão.
3. Descrição técnica 3.1 Princípio de funcionamento Nossa fonte é constituída por uma etapa abaixadora de tensão, uma retificadora, uma de filtragem, uma de proteção ( sobre-corrente e curto ) e uma reguladora. Podemos representar o circuito através do seguinte diagrama de blocos:
Figura 1 – Diagrama de blocos do circuito
Na etapa abaixadora, a tensão da rede é convertida para um valor mais conveniente
para as próximas etapas ( 15+15V ); na etapa de retificação utilizamos 2 diodos para obtermos uma tensão contínua pulsante ( sem mudança de sentido ) a qual é entregue à etapa de filtragem, em que conseguimos uma tensão mais ou menos uniforme; a etapa de proteção só é acionada quando o valor de corrente passando pela carga excede 1A, o que aciona um circuito de alarme e desliga a alimentação da carga; a etapa de regulagem é responsável pela escolha da tensão de saída ( 0 a 12V ) e por manter o valor sem flutuações.
3.2 Aprofundamento do funcionamento de funcionamento O circuito correspodendente é o que segue, onde destacamos as etapas apresentadas acima para melhor visualização.
Figura 2 – Circuito eletrônico da fonte
Examinemos, agora, cada uma das etapas de nosso projeto separadamente.
3.2.1 Abaixamento da tensão
A primeira etapa de nossa fonte constitui-se de um transformador abaixador de
tensão, que transformará a tensão de entrada da rede de energia ( 220V ) em um valor algo maior que o máximo oferecido pela fonte ( 15V ), entregando-o à próxima etapa do circuito. Utilizamos um transformador do tipo center tape 15+15V com potência de 30W ( 2 Amperes ).
3.2.2 Retif icação
seguinte ( retificação ) , utilizamos dois diodos 1N4002 ligados a cada uma das saídas do transformador e ao tap central, no que é chamado de sistema de retificação de onda completa, como mostrado na figura abaixo. O 1N4002 suporta uma tensão reversa de 100V e uma corrente direta máxima de 1A .
Para
a
etapa
Figura 3 – Retificação com ponte de diodos
O diodo D1 conduz apenas nos semi-ciclos positivos ( A ), enquanto que o diodo D2 conduz os semiciclos negativos ( B ). Os dois semiciclos são unidos e circulam no mesmo sentido pelo circuito da carga. No final desta etapa, temos uma onda de valor variável mas sem mudança de sentido ( sempre positiva ). Haverá, nesta etapa, uma queda de tensão de aproximadamente 0,8V devido à barreira de potencial existente nos diodos.
3.2.3 Filtragem
Na etapa de filtragem, foi utilizado, inicialmente, um capacitor eletrolítico de 2200μF ( tensão de trabalho de 25V ) de modo a diminuir a ondulação ( ripple ) da tensão retificada. O capacitor se carrega com a tensão de pico do secundário do transformador ( sem levar em conta a queda de tensão no diodo ) e quando cada semiciclo começa a sua queda o capacitor se descarrega lentamente através da carga , mantendo a corrente aproximadamente constante, até que a tensão de cada semiciclo seguinte alcance o valor que recupere a carga perdida. Veja a figura a seguir.
Figura 4 – Exemplo de ripple numa etapa de filtragem
Desta forma, alternando os ciclos de carga e descarga durante os tempos de condução e não-condução do diodo, o capacitor pode manter uma corrente mais ou menos constante sobre a carga. A pequena variação que ocorre na tensão é o que se chama ondulação ou ripple. O ripple é
normalmente expresso em termos da porcentagem que ele representa da tensão de
saída. Uma fonte com um ripple elevado, quando alimenta um circuito de áudio, por exemplo, faz com que um ruído na sua frequência seja produzido. Quanto maior for o capacitor, mais lenta será sua descarga entre os semiciclos e assim menor o ripple. Por outro lado, quanto maior for a corrente exigida pela carga, mais rapidamente cai a tensão do capacitor e maior será o ripple. Existe, pois, uma relação entre o valor do capacitor de filtragem, a tensão da fonte e a corrente na carga. Uma regra indicada no livro sobre fontes de Newton Braga é usar 1000 μF
de capacitor para cada ampére de corrente de carga em fontes entre 6 e 15V. Na etapa de testes, observamos que o ripple estava um pouco elevado ( chegando a 1,2V com carga e tensão máximas ), o que nos levou a trocar o capacitor do projeto original para um capacitor de 4700 μF, levando a uma queda de ripple para a metade dos valores originalmente obtidos ( maiores detalhes, veja resultados dos testes abaixo ). Um outro ponto importante que deve ser observado em relação à filtragem é que em alguns tipos de fonte é comum a ligação de um capacitor cerâmico em paralelo com o capacitor eletrolítico, pois estes não se comportam bem quando existe um componente de alta frequência no circuito. Coloca-se um capacitor cerâmico em paralelo para desacoplar os sinais de alta frequência que não passam pelo eletrolítico. Este procedimento não foi, entretanto, utilizado em nosso projeto.
3.2.4 Proteção
Para evitar que uma corrente excessiva, provocada por um curto ou de qualquer modo não desejada, danifique o circuito ligado à fonte, uma das etapas da fonte é responsável pela proteção contra sobre-corrente ( servindo também como proteção contra curto-circuitos ). Esta etapa tem como elemento principal um SCR TIC106 que, ao conduzir, fecha um circuito alimentando a bobina de um relé, fazendo com que a carga deixe de ser alimentada ( contato normalmente fechado – NF - do relé ) e, ao mesmo tempo, alimentando um circuito de alarme ( contato normalmente aberto – NA - do relé ), composto por um led vermelho e uma buzina ( buzzer ). Na figura abaixo temos, destacada do nosso circuito, a etapa de proteção.
Figura 5 – Circuito de proteção usando SCR TIC 106
A tensão retificada e filtrada entra no contato comum do relé e também na alimentação da sua bobina. Do contato normalmente fechado segue para a etapa seguinte ( regulagem ) e desta para a carga. A bobina do relé não está energizada ( quando em operação normal ), pois o SCR mantém o circuito aberto. O circuito de alarme ( buzzer e led ) está ligado ao contato normalmente aberto do relé. Quando entre o catodo e o gate do SCR houver uma tensão de 1V este passa a conduzir ( veja nos anexos o datasheet do TIC106 para maiores detalhes sobre o mesmo ), como se houvesse um curto entre anodo (a) e catodo (k), de maneira que a bobina do relé se energiza, abrindo o caminho que energizava a carga ( contato NF ) e alimentando o circuito de alarme ( contato NA ). Uma vez que nossa fonte deve fornecer um máximo de 1A para a carga, devemos colocar entre catodo e gate um resistor que faça surgir entre os mesmos uma tensão de 1V assim que a corrente atravessando o circuito supere o valor de 1A. Na figura acima, este resistor está identificado como R4. Usando a Lei de Ohm, para uma corrente de 1A (corrente máxima que deve circular ), teríamos:
V = I . R, R = V / I = 1 / 1 = 1 Ώ.
Deve-se, entretanto, utilizar um valor de resistência levemente inferior a 1 Ώ, uma vez que até 1A a fonte deve funcionar normalmente. Depois que o SCR passa a conduzir ( por causa de uma sobre-corrente no circuito ), para que o mesmo volte à condição inicial “aberto” ( e consequentemente para que a carga volte a ser alimentada e o alarme desligado ) é preciso cortar a alimentação do mesmo. Para tanto, colocamos um botão push do tipo normalmente fechado no circuito, funcionando como reset da
fonte. Deve-se notar, entretanto, que se a situação de sobre-corrente ( ou curto )
persistir, a etapa protetora será novamente acionada. No nosso projeto, utilizamos, por questões práticas, um resistor de 0,5 Ώ, o que levou a proteção a ser ativada apenas quando a corrente passa de 1,46 A ( veja resultados, para maiores informações ). Adicionalmente, como proteção contra curto-circuitos, colocamos um fusível de 500mA antes do primário do transformador.
3.2.5 Regul agem ( e ajus te )
A última etapa de nossa fonte é responsável por fornecer à carga uma tensão selecionada ( ajuste ) entre 0 e 12 volts e por manter esta tensão ( regulagem ) sem variações. Utilizamos, para esta finalidade, o que se chama regulador série, cujos elementos principais são, em nosso circuito, um diodo zener e um transistor.
Figura 6 – Regulagem de tensão com Diodo Zenner e Transistor
Diodos zener são um tipo especial de diodo que, quando polarizado inversamente, mantêm constante a tensão entre seus terminais ( tensão zener ) independentemente da corrente ( até o limite da máxima corrente reversa ). Um diodo zener de 15V, por exemplo, inversamente polarizado, manterá 15V entre seus terminais, mesmo que seja aplicado sobre o mesmo uma tensão de, digamos, 20V. A tensão, no entanto, deve ser de no mínimo 15 V, no exemplo dado, para que o zener funcione adequadamente. Abaixo, na figura, a curva característica de um diodo zener.
Figura 7 – Curva do diodo Zener
Utilizamos, em nosso projeto, um diodo zener de 15V / 1W, o que significa que o mesmo manterá entre seus terminais uma tensão fixa de 15V podendo ser percorrido uma corrente de aproximadamente 700mA ( P = V.I , I = 1/15 = 700mA ). A tensão é um pouco maior que a máxima especificada para a saída ( 12V ), pois temos de levar em conta as quedas de tensão nos componentes da fonte, em especial, no transitor. Colocamos em série com o diodo zener um resitor ( R1 ) limitador de corrente, para que não se ultrapasse a capacidade de dissipação do diodo ( 1W ). Para que possamos fornecer a corrente máxima de 1A à carga sem exceder a capacidade de dissipação do zener, utilizamos um transistor de potência ( Q1 ) , no nosso caso o TIP31. O TIP31 suporta uma tensão máxima entre coletor e emissor de 40 volts ( Vce=40V ) e uma corrente máxima de coletor de 3 ampéres ( Icmáx = 3A ), o que está de acordo com os valores a que será submetido em nosso projeto ( para maiores detalhes, veja o datasheet do TIP31, em anexo ). Com o uso do transistor, garantimos que sobre o diodo zener circulará uma corrente muito pequena em relação à corrente exigida pela carga. O transistor deve ser dotado de um dissipador de calor. Através do potenciômetro P1, ajustamos a tensão entre coletor e base do transistor, possibilitando que a tensão de saída varie entre 0 e 12V. O valor do potenciômetro ( 4,7K ) deve ser tal que forneça a corrente necessária para saturar o transistor.
3.3 Especificações construtivas
3.3.1 Desenho d a placa de cir cui to i mpr esso
Originalmente, o desenho da placa de circuito impresso de nossa fonte era como na figura abaixo. 7cm
4,5 cm
Figura 8 – Placa de circuito impresso ( versão original )
A seguir, desenho espelhado da placa de circuito impresso, para utilizar na confecção da placa de circuito através do processo de “passar roupa”.
7cm
4,5 cm
Figura 9 – Placa de circuito impresso ( versão original, espelhada )
Para facilitar a montagem, acabamos por utilizar uma versão alterada ( usando Paint Shop Pro ) da placa de circuito impresso, na qual as trilhas estão mais afastadas e mais grossas. Esta versão foi uma alteração desenhada “a mão” e, por isso, não possui um design tão atraente quanto a primeira. Seguem as imagens da nova versão de placa ( normal e espelhada ), que foi utilizada no projeto final ( tamanho igual à anterior: 7x4,5cm ).
Figura 10 – Placa modificada
Figura 11 – Placa modificada ( espelhada )
3.3.2 List agem d e compo nentes
Itens
Especificação
Custo por unidade (R$)
Q1
TIP31C, transistor NPN de potência
1,45
SCR
TIC106 – SCR para qualquer tensão
3,10
D1, D2 1N4002, diodos retificadores
0,10
Z1
Diodo Zener, 15Vx1W
0,25
LED1
Led verde comum
0,15
LED2
Led vermelho comum
0,15
C1
Capacitor eletrolítico 4700 μF x 35V
3,30
Itens
Especificação
Custo por unidade (R$)
C2
Capacitor eletrolítico 10 μF x 16V
0,13
R1
Resistor 220 Ώ x 1W ( vermelho,vermelho, marrom )
0,14
R2,R3 Resistor 2,2K Ώ x 1/8W ( vermelho,vermelho,vermelho )
0,06
R4
Resistor 1 Ώ x 2W ( marrom, preto, prateado )
0,50
P1
Potenciômetro 4,7K Ώ ou 10k Ώ - linear ou logarítmico
4,00
J1,J2
Bornes vermelho e preto
0,60
T1
Transformador 220V para 15+15V e 2A
12,80
K1
Relé de 12Vx50a200mA – 2 contatos reversíveis
4,50
F1
Fusível 500mA
0,15
S1
Interrupotor simples
0,95
S2
Botão de reset tipo normalmente fechado
1,20
B1
Buzina 12V
5,80
Total
38,23 A maioria dos componentes foi facilmente encontrada no comércio local ( Yama,
Radar, etc ). O SCR TIC106, que não foi encontrado em algumas lojas, pode ser substituído pelo BT151.
4. Montagem do projeto 4.1 Montagem em matriz de contatos A montagem em matriz de contato possibilitou que testássemos o funcionamento da fonte antes que tivéssemos disponíveis a placa de circuito impresso e o gabinete. Depois de alguns problemas com algumas matrizes, que pareciam estar em curto, compramos uma matriz de contatos nova e conseguimos, então, montar a fonte sem maiores problemas.
4.2 Confecção da placa de ci Para confeccionar a placa de circuito impresso, devemos pegar um pedaço de fenolite, de acordo com o tamanho da placa, limpar bem a parte cobreada ( usar uma palha de aço – bombril ), desenhar sobre o cobreado o circuito, colocar a placa numa mistura corrosiva ( percloreto de ferro ) e depois fazer os furos onde serão colocados os terminais dos componentes. Utilizamos, para confecção do desenho do circuito impresso sobre a placa, o método de “passar roupa”, que consiste em pegar uma imagem espelhada do desenho da placa, impressa em uma transparência, colocá-la firmemente segura sobre o cobreado do fenolite e, então, colocar um ferro de passar roupa ( quente e com certa pressão ) sobre a transparência. A tinta da transparência, ao esquentar, passa para o fenolite, o qual ficará com o desenho do circuito, ao final.
O tempo de permanência do ferro sobre a placa varia, devendo-se
inspecionar o processo para ver se já foi o suficiente ( no nosso caso, 30 minutos ). Nós não obtivemos um bom resultado da transferência do desenho com o método de passar roupa e tivemos que utilizar uma caneta de projetor preta para desenhar grande parte do circuito. Outras formas de se desenhar o circuito sobre o fenolite são: desenhar a mão, com uma caneta retroprojetor, usar decalques. Depois de desenhado o circuito, a placa deve ser banhada por uma substância corrosiva ( ácido percloreto de ferro ), que, devido à tinta no desenho, fará com que o cobre permaneça apenas nas trilhas e ilhas do circuito. O tempo de permanência aqui também é variável, dependendo da qualidade da mistura corrosivo, pelo que deve-se estar retirando a placa de vez em quando para verificar se o processo corrosivo já chegou ao fim.
CUIDADO! A substância ácida é perigosa
para a saúde. Evite contato com a pele e, principalmente, olhos ou mucosas. Evite respirar o vapor que sai da mistura. Utilize roupas velhas quando for trabalhar com o ácido, pois se o mesmo respingar na sua roupa provavelmente a estragará. A placa é amarrada a um fio e colocada na mistura. Coloca-se a mesma com o cobre voltado para baixo. De vez em quando, puxa-se o fio para verificar o andamento do processo. Pode-se dar uma “mexida” na placa de vez em quando, com cuidado, para que o excesso de material se solte. É preciso muita atenção ao tempo de permanência: pouco tempo e haverá excesso de material, o que pode acarretar em curtos em locais inesperados, muito tempo e pode haver corroção excessiva dos locais destinados às trilhas. No nosso caso, devido à qualidade da mistura no momento, tivemos um tempo de permanência na mistura ácida de 45 minutos. Depois que se retira a placa do ácido, lava-se a mesma com água corrente. Em seguida, fazemos os furos onde ficarão os terminais dos componentes. Se for verificado algum excesso localizado de cobre, devemos raspá-lo, caso contrário teremos caminhos inesperados no circuito.
4.3 Soldagem dos componentes Devemos tomar cuidado, durante a montagem dos componentes na placa de circutio impressso, para que os mesmos não sejam submetidos a calor excessivo. Para tanto, soldamos primeiramente os componentes mais robustos ( resistências, capacitores, fios ) e por último os mais delicados ( transistores, SCRs, diodos ), de modo que estes últimos fiquem menos tempo expostos ao calor do ferro de soldagem. O ferro não deve ser de uma potência muito elevada ( 20W ) para evitar aquecimento desnecessário. Abaixo, figura da soldagem ( parte de baixo ) dos componentes na placa.
Figura 12 – Parte de baixo da placa de ci – terminais soldados
4.4 Montagem do gabinete Utilizamos como gabinete de nossa fonte, um gabinete de estabilizador de microcomputador, metálico, cinza, de 18cm x 11cm x 11cm ( profundidade x largura x altura ).
5
1
6 4
3
2 Figura 13 – Gabinete – visão frontal
Figura 14 – Gabinete – visão lateral
1. Botão liga/desliga
4. Botão de reset
2. Bornes de saída
5. Led de funcionamento normal ( verde )
3. Seletor de tensão
6. Led de curto/sobre-corrente ( vermelho )
( potenciômetro ) Legenda para figura 13
Dentro do gabinete, próximo da abertura de ventilação lateral, fica a buzina do alarme de sobre-corrente.
Figura 15 – Gabinete – embaixo Figura 16 – Gabinete – visão de trás
Embaixo do gabinete, colocamos pés de borracha, servindo tanto para isolamento elétrico quanto para dar maior estabilidade na fonte, evitando que a mesma escorregue. Na parte de trás ficam o cabo de alimentação ( 2 pinos + terra ), o fusível e três tomadas adicionais ( podem ser usadas como extensões ) que já estavam no gabinete. Importante ressaltar que nossa fonte está aterrada ao terra da alimentação. Na frente do gabinete ficam os bornes de saída - na parte de baixo, afastados dos outros elementos - seletor de tensão, botões de reset e liga/desliga e leds de funcionamento e de alarme. Internamente, temos o transformador colocado na parte de trás, próximo da entrada da rede ( cabo de alimentação ) e a placa de circuito na parte da frente, próxima dos elementos de controle e sinalização ( botões, bornes e leds ).
Figura 17 – Visão interna, vista de cima
Figura 18 – Visão interna transformador Figura 19 – Visão interna – ligação entre a placa e a frente da fonte
A placa de circuito impresso foi parafusada na carcaça do gabinete ( parte de baixo ). Colocamos três pés de borracha para garantir isolamento elétrico e para melhor ventilação ( veja figura 12 acima ).
Figura 20 – Visão lateral interna
As dimensões do gabinete, junto com as aberturas laterais ( veja figura 14 acima ) garantem uma boa ventilação. Adicionalmente, o transistor foi dotado de um bom dissipador
de calor.
5. Procedimentos de teste Depois de devidamente montada, submetemos nossa fonte a vários testes de bancada para verificar se a operação da mesma corresponderia às especificações teóricas.
5.1 Orientações para a realização de testes Para realização dos testes, ligamos à fonte uma carga resistiva pura ( resitores de potência ), com valores previamente definidos, para obtermos, em várias tensões selecionadas, comportamento de meia-carga, ¾ de carga e carga total ( respectivamente 0.5, 0.75 e 1 A ). Juntamente com a carga, ligamos um voltímetro ( em paralelo ), um amperímetro ( em série com a carga ) e o osciloscópio ( em paralelo à carga ). Veja figura abaixo.
Figura 21 – Bancada de testes
Os valores de tensão escolhidos para teste foram 6, 9 e 12V. Para cada valor de tensão, utilizamos uma carga resistiva que expusesse a fonte a uma situação de meia-carga, ¾ de carga e carga máxima, como já dito. Os valores de resistência encontrados, calculados através da lei de ohm, foram os que seguem.
Tensão de teste (V) Carga desejada ( A )
Resistor calculado ( Ώ)
6
½
12
6
¾
9
6
1
6
9
½
18
9
¾
12
9
1
9
12
½
24
12
¾
16
12
1
12
Tabela 1 – Resistores utilizados como carga Durante a realização dos testes, não conseguimos obter os valores de resistência extatos acima, devido à tolerância dos resistores e necessidade de fazer associação de resitores. Na apresentação dos resultados ( seção seguinte ), colocamos os valores reais de resitores utilizados ( que foram medidos antes de cada teste com ohmímetro ). Os valores de corrente calculados também levam em conta os valores reais de resistência. Os testes com carga seguiram a seguinte rotina: mede-se a resitência de carga ( para obter o valor real ), coloca-se a resistência como carga, liga-se a fonte, ajusta-se a tensão ao valor do teste, mede-se a corrente, mede-se o ripple, retira-se a carga, anota-se o valor da tensão sem a carga ( o que equivale à queda de tensão ). Abaixo, um exemplo de medição de ripple.
Figura 22 – Leitura de ripple no osciloscópio
O teste a vazio foi feito simplesmente alterando os valores de tensão de 0 a 15V ( máxima tensão a vazio ). No teste a vazio não houve qualquer ripple. O teste de curto-circuito foi feito curto-circuitando-se os bornes de saída da fonte, o que resultou no pronto acionamento do circuito de alarme. O teste de sobre-corrente foi realizado com uma carga resistiva de 6,5 Ώ. Elevou-se a tensão até que o circuito de alarme fosse acionado. Alcansou-se esta situação quando a corrente medida chegou a 1,46 A . Este fato decorre da nossa escolha de um resitor de 0,5 Ώ para o circuito de alarme. Este valor foi escolhido por motivos práticos ( dificuldade de encontrar uma resistência de valor ligeiramente maior ). Com uma resistência de 1 Ώ ( valor original do projeto ) o circuito de alarme se acionava quando a corrente ultrapassava 600mA, valor baixo demais. O valor de resitência ideal seria algo entre 0,5 e 1 ohms – aproximadamente 0,8 Ώ. Não houve aquecimento anormal dos componentes, apenas sendo notado o aquecimento normal do dissipador de calor ligado ao transistor.
5.2 Apresentação dos resultados A tabela abaixo representa um sumário dos valores obtidos nos testes. Tensão
Carga
Resistor
de teste
(A)
real ( Ώ ) calculada medida
(V)
Corrente
Corrente
( mA )
(mA )
Tensão sem Ripple
Ripple
a carga ( V )
( mV )
(%)
6
½
11,8
508,47
520
13
0
0
6
¾
9,2
652,17
680
13,5
0
0
6
1
6,5
923,08
960
14
200
3,3
9
½
15,7
573,25
560
14
0
0
9
¾
11,8
762,71
780
14,3
100
1,1
9
1
9,2
978,26
1010
14,6
200
2,2
12
½
26,8
447,76
440
14,5
0
0
12
¾
15,7
764,33
760
14,9
300
2,5
12
1
11,8
1016,95
1040
15
600
5
Tabela 2 – Resultados obtidos nos testes
Com tensões e cargas pequenas não há aparecimento de ripple. Os valores de corrente medidos diferem levemente dos valores calculados, o que podemos considerar ser devido a imprecisão dos instrumentos, tanto na medida da corrente e tensão quanto na obtenção da resistência da carga. A partir de ¾ de carga ( dependendo da tensão ) e para carga máxima ( em todas as tensões ) há o aparecimento de um certo ripple. Adotamos o procedimentos de dobrar o valor do capacitor inicialmente escolhido ( de 2200 μF para 4700 μF ), com o que conseguimos fazer o ripple cair pela metade.
700 600
) V m500 ( e l 400 p p i r
½A ¾A
300
e d r o 200 l a v
1A
100 0 6
9
12
tensão de teste ( V )
Gráfico 1 – Ripple em diferentes tensões e cargas No gráfico acima vemos como o ripple aumenta com a carga e com a tensão. Em todos os testes houve uma significativa queda de tensão, comprovada pelo procedimento de retirar-se a carga e verificando-se a elevação da tensão a vazio ( coluna tensão sem a carga ) . Abaixo, o gráfico mostrando os valores de tensão depois que se retira a carga. No eixo x os valores ajustados com a carga. No eixo y, os valores alcançados quando sem a carga.
15,5 ) V 15 ( a g 14,5 r a c a 14 a d a 13,5 r i t e r 13 o ã s 12,5 n e t
½A ¾A 1A
12 6
9
12
tensão de teste ( V )
Gráfico 2 – Queda de tensão: tensão sem e com a carga
6. Resultados esperados / obtidos e considerações finais
Os testes realizados comprovaram que a operação da fonte estava conforme o especificado na parte teórica. O ripple não foi considerável e, como observado, pode ser ainda menor se se colocar um capacitor de maior valor. A queda de tensão que ocorre quando se conecta uma carga à fonte foi grande ( 13 volts para 6 volts, no menor valor testado ), mas, ainda assim, conseguimos chegar ao valor máximo de 12 volts com carga total, que é o valor limite especificado em nosso projeto. A vazio a maior tensão chega a 15 volts. A proteção de sobre-corrente funcionou como esperado, mas o valor de disparo, devido à dificuldade de ajuste da resistência do circuito de alarme, ficou acima do desejado ( 1,46A e não 1A ). Durante a montagem, quando a resistência era 1 Ώ ( valor original ) o disparo ocorria em 600mA. Imaginamos, então, que baixando-se para um valor de 0,5 Ώ teríamos um valor de disparo de 1,2A ( mais próximo do desejado ), mas o mesmo não aconteceu ( o disparo acontece apenas em 1,46A ). O ideal seria utilizarmos um trimpot para ajustar o valor de disparo de forma precisa, o que também possibilitaria que o usuário modificasse o valor de disparo de acordo com a sua necessidade. Seria necessário, entretanto, que fosse um resistor de potência, pois o mesmo será percorrido por até 1A. De forma geral, os resultados obtidos atenderam nossas expectativas e estão de acordo com o que era esperado.
