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Apontamentos (básico) sobre fontes de alimentação

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Fontes alimentacao Document Transcript

  • 1. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino B´sico de a a ´ Adolfo Portela, Agueda M´dulo 4 - Apontamentos sobre fontes de alimenta¸ao o c˜ Prof. Eduardo Martins Janeiro de 2010
  • 2. Conte´ do uI Fontes de alimenta¸˜o ca 21 Introdu¸˜o ca 32 Transformador 43 Rectificador 44 Rectificador de meia onda 45 Rectificador de Onda Completa com Deriva¸˜o Central ca 7 5.1 Semiciclo positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5.2 Semiciclo negativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Retificador de Onda Completa em Ponte 9 6.1 Semiciclo positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 6.2 Semiciclo negativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Filtragem 11 7.1 Filtro com condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 7.2 Filtro com condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Estabilizador/Regulador de tens˜o a 13 8.1 Tens˜o positiva 78XX e Tens˜o negativa 79XX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 a a9 Exercicios 15Lista de Figuras 1.1 Diagrama de blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1
  • 3. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda a4.1 rectificador de meia-onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.2 Rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo positivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ca 54.3 Esquema equivalente da rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo positivo) . . . . . . . . . . . . . . . ca 54.4 Rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo negativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ca 54.5 Esquema equivalente da rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo negativo) . . . . . . . . . . . . . . ca 64.6 Rorma de onda do rectificador de meia-onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.1 Rectificador de Onda Completa com Deriva¸˜o Central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ca 85.2 Circuito equivalente (Semiciclo-positivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.3 Circuito equivalente (Semiciclo-negativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.4 Formas de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.1 Rectificador de onda completa em ponte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.2 Rectificador em ponte (semiciclo positivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.3 Rectificador em ponte (semiciclo negativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.4 Formas de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.1 Filtro com um unico condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 ´7.2 Forma da tens˜o e sa´ de um rectificador de onda completa com condensador . . . . . . . . . . 12 a ıda 2
  • 4. Parte IFontes de alimenta¸˜o ca 3
  • 5. 1 Introdu¸˜o caA maioria dos equipamentos electr´nicos s˜o alimentados com tens˜o cont´ o a a ınua, normalmente de 3V a 30V. Masa tens˜o alternada dispon´ a ıvel nas tomadas de nossas casas ´ de 230V. Para transformar a tens˜o alternada e adispon´ na tomada em tens˜o cont´ ıvel a ınua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como fontede alimenta¸˜o. Veja abaixo o diagrama de blocos de uma fonte de alimenta¸˜o. ca ca Figura 1.1: Diagrama de blocos 1. Transformador monof´sico: A sua fun¸˜o ´ reduzir o n´ de tens˜o dispon´ a ca e ıvel a ıvel nas tomadas 230V, para n´ ıveis compat´ ıveis com os equipamentos electr´nicos. o 2. Rectificador: Transforma a tens˜o alternada (ca) em tens˜o cont´ a a ınua (cc) pulsante. 3. Filtro: Converte a tens˜o cc pulsante vinda do rectificador em cont´ a ınua cc com ondula¸˜o. ca 4. Estabilizador: Tem a fun¸˜o de transformar a tens˜o cc com ondula¸˜o em tens˜o cc pura, que ´ a ca a ca a e tens˜o utilizada pelos equipamentos electr´nicos. a o 4
  • 6. 2 TransformadorNa maior parte das fontes de alimenta¸˜o, o transformador baixa o n´ ca ıvel da tens˜o de entrada para valores aeficazes na faixa de 5V a 24V.3 RectificadorO rectificador converte tens˜o alternada em tens˜o cont´ a a ınua pulsante. Um rectificador pode ser de meia onda,onda completa ou em ponte. O dispositivo utilizado nos rectificadores ´ o d´ e ıodo, devido ` sua caracter´ a ıstica deconduzir a corrente el´ctrica num unico sentido. e ´4 Rectificador de meia ondaO nome meia onda deriva do facto de apenas um dos semiciclos da tens˜o de entrada ser aproveitado. Pode ser ao semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posi¸˜o do d´ ca ıodo. Veja abaixo um circuito rectificador demeia onda. Figura 4.1: rectificador de meia-onda 5
  • 7. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda a N´s sabemos que a fonte de tens˜o alternada n˜o tem polaridade definida, ou seja, um terminal ora ´ positivo o a a eora ´ negativo. Vamos convencionar que durante o semiciclo positivo, o terminal superior da fonte seja o positivo ee o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura abaixo. Figura 4.2: Rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo positivo) ca Observe que, com esta polaridade da fonte de tens˜o, o d´ a ıodo fica polarizado directamente, pois o positivoda fonte est´ ligado ao ˆnodo, comportando-se o mesmo como um interruptor fechado (conduz). Com o d´ a a ıodoem condu¸˜o, os terminais da fonte ficam ligados directamente aos terminais da resistˆncia de carga (RL), isto ca esignifica que a tens˜o nos terminais da resistˆncia ser´ a mesma da fonte, isto ´, o semiciclo positivo da tens˜o a e a e ada fonte aparecer´ nos terminais da resistˆncia de carga. a e Figura 4.3: Esquema equivalente da rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo positivo) ca Quando o semiciclo positivo termina, a tens˜o da fonte entra no semiciclo negativo, isso provoca uma invers˜o a ana polaridade da fonte, isto ´, o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo. e Figura 4.4: Rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo negativo) ca 6
  • 8. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda a Esta invers˜o na polaridade da fonte faz com que o d´ a ıodo seja polarizado inversamente no semiciclo negativo,comportando-se como um interruptor aberto (n˜o conduz). Como o d´ a ıodo est´ aberto, n˜o h´ corrente a circular a a apela resistˆncia, isso faz com que a tens˜o aos seus terminais seja nula durante todo o semiciclo negativo. O e aque o d´ ıodo fez na verdade foi deixar passar para a resistˆncia de carga apenas o semiciclo positivo da tens˜o e ada fonte, bloqueando o semiciclo negativo. Figura 4.5: Esquema equivalente da rectifica¸˜o de meia-onda (semi-ciclo negativo) ca Resumindo: Quando a tens˜o da fonte entra no semiciclo positivo, o d´ a ıodo conduz (interruptor fechada)fazendo com que todo o semiciclo positivo da tens˜o de entrada apare¸a nos terminais da resistˆncia de carga. a c eDurante o semiciclo negativo, o d´ ıodo n˜o conduz (interruptor aberta) impedindo que o semiciclo negativo achegue aos terminais da resistˆncia de carga. A tens˜o nos terminais da resistˆncia ´ designada por cont´ e a e e ınuapulsante, cont´ ınua porque mant´m sempre a mesma polaridade e pulsante porque s´ aparece na resistˆncia de e o ecarga os semiciclos positivos da tens˜o da fonte. Vemos abaixo os gr´ficos das tens˜es da fonte, resistˆncia e a a o ed´ ıodo respectivamente. Observe que o semiciclo positivo da tens˜o de entrada aparece na resistˆncia de carga a ee o semiciclo negativo da tens˜o aparece aos terminais do d´ a ıodo. 7
  • 9. Figura 4.6: Rorma de onda do rectificador de meia-onda5 Rectificador de Onda Completa com Deriva¸˜o Cen- ca tralComo este tamb´m ´ um circuito que possui d´ e e ıodos, temos que analis´-lo nos dois semiciclos da tens˜o de a aentrada. 8
  • 10. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda a Figura 5.1: Rectificador de Onda Completa com Deriva¸˜o Central ca5.1 Semiciclo positivoNote que nesse semiciclo o d´ ıodo D1 conduz e o d´ ıodo D2 n˜o conduz. a Figura 5.2: Circuito equivalente (Semiciclo-positivo)5.2 Semiciclo negativo Figura 5.3: Circuito equivalente (Semiciclo-negativo) Nesse semiciclo acontece o inverso em rela¸˜o ao semiciclo positivo, por´m a tens˜o na carga permanece com ca e aa mesma polaridade, o que implica no aproveitamento do semiciclo negativo da tens˜o de entrada como tens˜o a apositiva na carga, o que n˜o acontecia com o rectificador de meia onda. a 9
  • 11. As formas de onda ficar˜o assim: a Figura 5.4: Formas de onda Note que em rela¸˜o ao rectificador de meia onda est´ a ser entregue ` carga o dobro de tens˜o, j´ que no ca a a a asemiciclo negativo tamb´m h´ presen¸a de tens˜o na carga, e mais, com a mesma polaridade que aquela que ´ e a c a eentregue no semiciclo positivo, o que implicar´ em dobrar o valor m´dio de tens˜o na carga. a e a6 Retificador de Onda Completa em Ponte Figura 6.1: Rectificador de onda completa em ponte 10
  • 12. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda aComo este, tamb´m, ´ um circuito que possui d´ e e ıodos, temos que analis´-lo nos dois semi-ciclos da tens˜o de a aentrada.6.1 Semiciclo positivo Figura 6.2: Rectificador em ponte (semiciclo positivo)Note que nesse semiciclo os d´ ıodos D1 e D2 conduzem e os d´ ıodos D3 e D4 n˜o conduzem. a6.2 Semiciclo negativo Figura 6.3: Rectificador em ponte (semiciclo negativo)Nesse semiciclo acontece o inverso em rela¸˜o ao semiciclo positivo, por´m a tens˜o na carga permanece com a ca e amesma polaridade, o que implica no aproveitamento do semiciclo negativo da tens˜o de entrada como tens˜o a apositiva na carga, repetindo o que acontecia com o rectificador de onda completa com deriva¸˜o central. As caformas de onda ficar˜o assim: a 11
  • 13. Figura 6.4: Formas de onda Note que todas as formas de onda s˜o exactamente iguais `s do rectificador de onda completa com deriva¸˜o a a cacentral.A sa´ resultante de um rectificador ´ uma tens˜o dc pulsat´ria, que ainda n˜o seria adequada para alimentar ıda e a o auma carga. Esta tens˜o poderia ser utilizada, por exemplo, num carregador de baterias, onde a tens˜o dc m´dia a a e´ suficientemente grande para proporcionar uma corrente de carga para a bateria. Entretanto, como tens˜o dce apara ser utilizada em r´dios, aparelhos de som, e computadores, n˜o seria de maneira alguma a indicada. E a a ´necess´rio um filtro para que a tens˜o dc de sa´ da fonte seja mais est´vel. a a ıda a7 Filtragem7.1 Filtro com condensadorO circuito de filtro mais popular ´ o que utiliza um simples condensador (geralmente electrol´ e ıtico de grandecapacidade) em paralelo com a carga, como o representado na seguinte figura. Um condensador ´ ligado ` sa´ e a ıda 12
  • 14. do rectificador, e uma tens˜o dc ´ obtida nos terminais do condensador. a e Figura 7.1: Filtro com um unico condensador ´7.2 Filtro com condensadorA figura seguinte mostra a forma de onda existente nos terminais de um rectificador com condensador. O tempoT1 ´ o tempo durante o qual os d´ e ıodos rectificadores de onda completa conduzem, carregando o condensadorat´ a tens˜o de pico do rectificador, Vm. O tempo T2 ´ o intervalo de tempo durante o qual a tens˜o de e a e apico do rectificador desce abaixo da tens˜o de pico, e o condensador descarrega atrav´s da carga. O ciclo de a ecarga/descarga ocorre para cada meio ciclo, isto para um rectificador de onda completa. A tens˜o filtrada, acomo mostra a figura, representa uma forma de onda na sa´ com um n´ dc, Vdc e uma tens˜o de “ripple” ıda ıvel aVr, resultado da carga e descarga do condensador. Figura 7.2: Forma da tens˜o e sa´ de um rectificador de onda completa com condensador a ıda A sa´ filtrada apresenta um n´ ıda ıvel dc e alguma varia¸˜o ac “ripple”. Quanto menor for a varia¸˜o ac ca ca 13
  • 15. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda acomparada ao n´ dc, melhor ´ a opera¸˜o de filtragem. ıvel e ca8 Estabilizador/Regulador de tens˜o aO circuito regulador pode aproveitar esta entrada dc para produzir uma tens˜o dc que n˜o s´ possui menos a a o“ripple” ou varia¸˜o ac, como ainda mant´m constante o n´ de sa´ ca e ıvel ıda, mesmo para varia¸˜es na entrada ou cona carga a que est´ ligada. Esta regula¸˜o ´ geralmente obtida, utilizando-se um circuito integrado (Circuito a ca eIntegrado Linear - dentro do CI existem trans´ ıstores, d´ ıodos zener e resistˆncias). e8.1 Tens˜o positiva 78XX e Tens˜o negativa 79XX a aH´ integrados para regularem tens˜es positivas ou negativas. Pelas suas especiais caracter´ a o ısticas, os integradosreguladores de tens˜o prestam-se ` utiliza¸˜o nas fontes de alimenta¸˜o. Ao terminal E (Entrada) aplicamos a a ca caa tens˜o a ser estabilizada e regulada pelo integrado. No terminal S (Sa´ a ıda) recolhemos a tens˜o j´ fixada a aautomaticamente no valor correspondente o c´digo do integrado (Ex: 7805 diz-nos que a tens˜o de sa´ regulada o a ıda´ de 5 Volt). A tens˜o de entrada (E) - n˜o regulada - deve ser, pelo menos, 3 Volt maior do que a tens˜o dee a a asa´ (S) regulada, para um perfeito funcionamento. De referir que o terceiro terminal terra/massa/neutro ´ ıda edesignado pela letra T. Exemplos: 78XX 79XX Regulador de tens˜o positivo a Regulador de tens˜o negativo a 14
  • 16. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda a Reguladores de tens˜o - 78XX - 79XX a C´digo Positivo/ o Tens˜o a m´xima a Tens˜o de sa´ a ıda Corrente m´xima a Negativo de entrada (regulada) de sa´ ıda 7805/7905 35 Volt 5 Volt 1A 7806/7906 35 Volt 6 Volt 1A 7810/7910 35 Volt 10 Volt 1A 7812/7912 35 Volt 12 Volt 1A 7815/7915 35 Volt 15 Volt 1A 7818/7918 35 Volt 18 Volt 1A 7824/7924 40 Volt 24 Volt 1AExemplo: 7812Tens˜o de sa´ regulada 12 Volt sob a corrente m´xima de 1 Amp´re. a ıda a eTens˜o m´xima de entrada 35 Volt. a aTens˜o m´ a ınima de entrada 12 + 3 = 15 Volt • Quanto mais alta for a tens˜o de entrada (E) maior ser´ a dissipa¸˜o no integrado, fun¸˜o tamb´m da a a ca ca e corrente pedida pela carga ou circuito ligado ` sua sa´ (S). Nesse caso pode ser necess´rio acopular um a ıda a dissipador ao circuito integrado. • Os circuitos integrados da linha 78XX e 79XX apresentam excelentes protec¸˜es autom´ticas, internamente co a estabelecidas, contra aquecimentos excessivos e contra curto-circuitos na sua sa´ ıda. 15
  • 17. 9 Exercicios 1. Desenhe o rectificador de meia onda e explique o seu funcionamento 2. Desenhe o esquema do rectificador de onda completa com deriva¸˜o central e explique o seu funcionamento ca 16
  • 18. Escola Secund´ria com 3o Ciclo do Ensino a ´ B´sico de Adolfo Portela, Agueda a3. Neste ultimo diga qual o valor da tens˜o na carga? ´ a4. No circuito rectificado de onda completa com 4 d´ ıodos, calcule os picos de tens˜es de sa´ o ıda. considere os seguintes valores: Tens˜o de entrada=220V; Tens˜o ` sa´ do transformador=17V a a a ıda 17