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Fonte de Alimentação AC/DC
(Postada em 1999; atualizada em 10/01/2010)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Direitos Reservados
Rua Argentina, 2357 - América
Barretos - 14783-192 - SP

Resumo teórico
Como o sabemos, as fontes de alimentação constituem uma das etapas básicas dos equipamentos elétricos e/ou eletrônicos.
A função dessa etapa inicial é 'casar' a tensão elétrica fornecida pela rede domiciliar/industrial com as tensões adequadas às demais etapas do equipamento. É o caso, por exemplo, de dispormos de uma tensão de 117 VAC ou 220 VAC e necessitarmos de tensões de 6 VCC ou 12 VCC.
Uma fonte básica simples (ou linear, como dizem os mais teóricos) é, via de regra, constituída por 4 blocos, cada um com sua finalidade específica. Eis o diagrama de blocos:

Bloco 1- Transformador - Altera os parâmetros 'tensão e corrente' de entrada AC para outro(s) valor(es) de 'tensão e corrente' de saída AC. Um dado valor de tensão de saída AC podem ser maior, igual ou menor que a tensão de entrada AC.
Bloco 2- Retificação - Retifica os pulsos de saída do transformador, produzindo uma nova saída polarizada, pulsante, CC.
Bloco 3- Filtragem - Filtra a tensão pulsante de saída do bloco retificador eliminando boa parte de sua pulsação.
Bloco 4- Regulagem - Regula eletronicamente a saída do bloco de filtragem de modo a se obter uma tensão contínua e constante. Esse bloco pode incluir uma proteção contra diversos 'aborrecimentos', como veremos ao final.

Transformador abaixador de tensão
Abaixo mostramos a simbologia, a curva característica e os parâmetros envolvidos num transformador abaixador de tensão:

Parâmetros notáveis do transformador:

      Up= tensão no primário (entrada) ; Ip= corrente no primário (entrada) ; Np= número de espiras no primário
      Us= tensão no secundário (saída) ; Is= corrente no secundário (saída) ; Ns= número de espiras no secundário
      Pp= potência absorvida no primário (entrada) ; Ps= potência entregue pelo secundário (saída)

Relações:

Up/Us= Np/Ns ; Pp = Ps (caso ideal) ; Up.Ip= Us.Is

Efeito da retificação
Há vários modos de ligarmos diodos retificadores de modo a converter AC para CC. Diferenciamos retificador de meia-onda e retificador de onda-completa. É bem mais vantajosa a retificação de onda-completa, a qual aproveita os dois semiciclos da tensão alternada disponível. Para tal retificação temos duas possibilidades, a saber: usar de apenas 2 diodos retificadores, caso em que o secundário do transformador deverá apresentar uma derivação central ('center tap' - CT) ou usar uma ponte retificadora com 4 diodos, caso o secundário não apresente derivação central. Esquematizemos isso:

Uma ponte retificadora consta de 4 diodos retificadores reunidos num só invólucro, com 2 terminais marcados "~" para a entrada AC e 2 terminais marcados com "+" e "-" para a saída polarizada CC. A ponte retifica os dois semiciclos da tensão alternada (daí o nome 'retificação em onda-completa'. Da tensão de entrada na ponte, perde-se 1,4 V, porque cada diodo determina uma queda de potencial elétrico de 0,7 V (típica da junção PN de silício); e há sempre 2 diodos em condução em cada semiciclo. Tais pontes, facilmente obtidas no comércio eletrônico, são classificadas pela intensidade máxima de corrente e pela máxima tensão inversa que podem suportar. Como os diodos devem suportar os picos de tensão, a ponte deve suportar, pelo menos, três vezes a tensão rms da saída do transformador.

Efeito da filtragem
'Filtragem' é ação de filtrar, retirar impurezas ou separar partes distintas ... que não é o caso, em se tratando de corrente elétrica. Filtragem, aqui, é um jargão eletrônico para a ação de um componente cuja finalidade é 'acumular cargas elétricas', fornecendo-as quando necessário. Quem age aqui como reservatório de cargas é um capacitor de grande capacitância, notadamente o capacitor eletrolítico. Eis a sua colocação no circuito da fonte:

A ação do capacitor de filtragem é suavizar os 'solavancos' dos semiciclos provenientes da retificação, convertendo-os em um fornecimento 'mais contínuo' de cargas elétricas. O diagrama a seguir destaca a tensão 'não filtrada' (em linha pontilhada) e a CC suavizada (em linha sólida).

Notemos aqui, que a filtragem aumenta significativamente a tensão média CC, para o valor de pico (1,4 × valor RMS). Exemplifiquemos isso: suponhamos que uma saída de 6 VACrms no secundário do transformador, tenha sido retificada por uma ponte, da qual obtivemos 4,6 VCCrms (1,4 volts foram perdidos na retificação). A ação da filtragem eleva essa tensão para seu valor de pico, ou seja, 1,4 x 4,6 VCCrms= 6,4 VCCpico.
Como a tensão elétrica nos terminais do capacitor cai um pouco por ocasião das descargas (linha azul cheia, na ilustração acima), a 'filtragem' não é perfeita, resultando assim numa residual ondulação de tensão (tensão de 'ripple'). Para muitos circuitos a ondulação (ripple) de 10% do valor da tensão total é satisfatória, e isso se obtém com determinado valor (C) da capacitância do capacitor eletrolítico. Eis a expressão para esse cálculo:

Capacitância para 10% de ripple = C = 5.Is/Us.f

onde: C é a capacitância do capacitor de filtragem, em farads (F); Is é a intensidade de corrente de saída, em ampères (A); Us é a tensão de entrada, em volts (V) [este é o valor de pico da tensão não filtrada]; f é a freqüência da tensão AC, em hertz (HZ) [no Brasil, 60 Hz].

Sem dúvida, quanto maior a capacitância do capacitor de filtragem, menor a ondulação da saída CC!

Efeito da regulagem
Circuitos integrados reguladores são encontrados no comércio eletrônicos quer com valores fixos de tensões de saída (5, 6, 9, 12, 15VCC, etc.), quer com saída variável. São classificados, além disso, pela intensidade máxima de corrente que podem controlar.

Há uma quantidade substancial de reguladores de tensão no mercado. A maioria deles incluem proteção automática de excesso de consumo (proteção de sobrecarga) e térmica (proteção de sobre-aquecimento).


Parte experimental --- descrição
Essa é uma fonte de alimentação bastante especial, própria para: laboratórios científicos (física, química, biologia etc.), experimentações em salas de aula e para exposições em Feiras de Ciências.

Ela fornece tensões alternadas fixas (6VAC e 12 VAC) e contínuas, na faixa de 0 a 12VCC, sob corrente de intensidade até 2A. Além disso, apresenta proteção contra eventuais e breves curtos-circuitos quando manuseada por pessoas inexperientes (ou curiosas).

Circuito
Conforme pode-se observar no diagrama de blocos da ilustração a seguir, essa fonte apresenta:

a) Bloco ou etapa do transformador, que reduz a tensão da rede (110/220VAC) para (6 + 6) VAC, com secundários para 2A. O transformador apresenta "center-tap" (derivação central) no secundário; desses três terminais recolhemos diretamente as tensões alternadas de 6 e 12 volts.

Usaremos dessas tensões para a alimentação de lâmpadas de colimadores da óptica, amperímetros térmicos, pequemos motores de indução, experiências com correntes induzidas e muitos outros experimentos onde estes valores de tensão alternada, de freqüência 60Hz, for necessária.

b) O segundo bloco efetua a retificação da corrente. Usamos, para tal finalidade, uma ponte retificadora com 4 diodos de silício, tais corno 1N4004, 1N4007, BY127 etc. Essas pontes podem ser adquiridas nas casas do ramo, como um componente único, dotado de 4 terminais.

c) O bloco da filtragem, incumbe-se de minimizar as flutuações na tensão contínua obtida, constando de um capacitor eletrolítico de grande capacitância (adotamos um de 2000 mF x 25 V).

d) O bloco seguinte ocupa-se da regulagem eletrônica da tensão de saída, mantendo-a no nível desejado. Constitui-se de um transistor de potência (2N3055), um diodo zener para referência de tensão (12 V x 400 mW) e um potenciômetro de carvão (1k ou 2k2), no qual se efetua o ajuste da tensão de saída. Um voltímetro de ferro móvel (mais barato) ou um de bobina móvel é ligado aos terminais de saída da fonte, para a leitura do valor atual da tensão.

e) O bloco de proteção contra curtos-circuitos momentâneos emprega um transistor PNP de uso geral (BC558) e dois diodos (BAX17 ou BAX18). Quando a ddp na saída cai a zero (devido a um indesejável curto-circuito), essa etapa é acionada limitando a corrente ao máximo da fonte, evitando assim danos à ponte retificadora, no transformador e demais componentes sujeitos a sobrecargas. Todavia, o transistor de potência irá esquentar bastante se o curto não for retirado. É uma proteção simples para curtos circuitos, porém para breves intervalos de tempo.
Ao final, como complementação, apresento uma proteção total contra curtos circuitos; 'triscou' o curto ... a alimentação desliga!

Esquema geral
Na ilustração a seguir temos o circuito esquemático da fonte em questão.

Na Sala de Eletrônica de nossa Feira de Ciências teremos oportunidade de comentar sobre os diagramas de blocos, símbolos de componentes e circuitos em geral.

Lista de componentes
CH - Chave interruptora acoplada ao potenciômetro;
F - porta-fusível e fusível para 1A;
T - transformador com primário para 110V e 220V; secundário para (6 + 6)V, 2A;
D1, D2, D3, D4 - diodos de silício, 1N4007 ou equivalentes;
LED - LED vermelho;
R1 - resistor; 470 W x 1/8 W;
R2 - resistor; 1200 W x 1/8 W;
R3 - resistor; 1500 W x 1/8 W;
R4, R5 - resistores; 100 W x 1/8 W;
C1 - capacitor eletrolítico; 2000 m F x 25 V;
C2 - capacitor eletrolítico; 4,7 m F x 16 V;
Z - zener para 12 V x 400 mW;
P - potenciômetro com chave; 1k ou 2k2;
TR1 - transistor de potência; 2N3055, com dissipador;
TR2 - transistor PNP; BC558 ou equivalente;
D5, D6 - diodos; BAX17 ou BAX18;
V - voltímetro para 12 ou 15 VCC;
A - amperímetro para 2A;
B1, B2 - bornes; vermelho (+) e preto (-);

Diversos - cabo de alimentação, placa de alumínio para dissipador, conectores "Sindall", ponte de terminais, caixa para alojar a fonte, parafusos, solda etc.

Montagem

 

Na parte frontal da caixa utilizada para alojar a fonte (ilustração ao lado) instalam-se : o voltímetro, o amperímetro, os bornes de saída (AC/DC), o potenciômetro (que incorpora a chave interruptora CH) e o LED indicador de "em funcionamento".

A etapa reguladora contém o transistor de potência 2N3055 montado e aparafusado sobre uma placa dê alumínio (ilustração a seguir) de (10 x 5) cm e espessura 1,5 ou 2mm. Cantoneiras de alumínio permitem fixar essa placa (que age como dissipador de calor) na caixa. Uma estratégica ponte de terminais com dois pontos isolados e um terra, fixada no mesmo parafuso que fixa o transistor na placa, permite colocar o transistor e os dois diodos da etapa de proteção a curtos. Na figura abaixo, o terminal central dessa ponte de terminais foi 'esticado' por questões de clareza das ligações.

Transformador, diodos retificadores, capacitor eletrolítico etc., podem ser montados utilizando-se de conectores 'Sindall' ou ponte de terminais.

Cuidados
1) Observe bem a polaridade dos diodos de retificação, dos diodos de proteção, do diodo zener e dos capacitores eletrolíticos.

2) Tome cuidado na ligação do potenciômetro; se houver inversão, a fonte fornecerá tensão total logo que é ligada, o que não é correto. Inverta os fios dos extremos.

3) Use bornes de cores diferentes para a saída retificada e controlada; vermelho (+) e preto (-) são as cores tradicionais.

Nota final
Se você dispõe de amperímetro de fundo de escala 2A, instale-o também na parte frontal da caixa
(painel). Com isso terá total controla para ajustar tensões e correntes. Sua instalação elétrica é fácil, basta intercala-lo entre o coletor do 2N3055 e o borne negativo de saída.

Uma fonte de alimentação encontra uso em uma enormidade de situações. Em nossas sugestões, nos vários artigos neste site, nos referiremos a ela como fonte de tensão ajustável.

Complementação
1- Proteção total para curtos-circuitos
Nessa complementação, o Vcc e o Terra devem ser ligados direto aos diodos da fonte, antes do circuito de regulagem. O resistor R1 é quem determina a corrente de proteção, devendo ser calculado via lei de Ohm. O transistor BC337 (ou equivalente NPN) irá conduzir quando a d.d.p. entre a base e o emissor for maior que ~0,7 Vcc; então: R1 = U/i = 0,7/i . Para i = 1 A, por exemplo, o valor de R1 será de 0,7 ohm (valor adotado na ilustração abaixo).
Quando este transistor conduzir, o relé (de 12 Vcc) será acionado e se manterá 'travado' até que se desligue e ligue a fonte novamente. Assim, qualquer fechamento de curto nos terminais da fonte resultará no desligamento da alimentação.
Uma boa opção é colocar um LED (com resistor série de 1 k) em paralelo com a bobina do relé; seu acendimento acusará que a proteção está acionada.

2- Proteção com SCR e relé
Há várias outras técnicas que também podem ser utilizadas em circuitos de proteção, como é o caso da associação SCR/relé, conforme ilustramos no circuito abaixo:

 Neste circuito, instalado antes da regulagem (como no caso da proteção anterior), quando a corrente circulante pelo resistor-sensor (que é a corrente de carga total monitorada) alcançar um valor que faça aparecer entre seus terminais uma tensão da ordem de 1 V, o SCR irá disparar. Com isso, o relé fecha os seus contatos, desligando imediatamente a fonte e acionando um dispositivo de aviso, que pode ser um LED ou um oscilador. Para rearmar a fonte, basta remover a causa da sobre-corrente (em geral um curto-circuito) e desligar a fonte por um instante.
Exemplo: se a tensão de entrada for de 12 VCC e a intensidade máxima de corrente for estabelecida em 5A, o resistor de carga do LED (R) terá valor de 1 k e o resistor-sensor (Rs) terá valor de 0,2 ohms (lei de Ohm ==> 1 V = Rs.5 A ==> Rs = 1V/5A = 0,2
W). Obviamente o relé deverá ter bobina para 12 V.



 


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