M041 - Fonte Regulada Fixa

Fonte Regulada Fixa 12V 2A

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Fonte Regulada Fixa

O projeto apresentado aqui é de uma fonte regulada com tensão fixa de 12V de saída. Apesar de ser um circuito bem simples, pode ser utilizado em aplicações mais exigentes como amplificadores de áudio, por exemplo. Veja a figura 1.

O Projeto

Observe que esta fonte regulada é basicamente formada pela fonte não regulada de entrada e pelo circuito regulador. Este circuito regulador é basicamente formado por T1, R1 e Z1. A tensão de saída é dada pela tensão de base de T1 - Vbe, onde Vbe é a tensão base-emissor de T1. R1 fornece a corrente de polarização do diodo zener Z1. Assim a tensão na base de T1 é a tensão do diodo zener = 13V. Desta forma a tensão de saída da fonte pode ser calculada como:

Vsaida = Vzener - Vbe = 13V - 0,6V = 12,4V

Estamos considerando as seguintes especificações para este projeto do eletronPi:

• Flutuação na rede elétrica de ± 10%;
• Tensão de saída: 12,4V;
• Corrente de saída: 2A;

Tensão de Entrada

Para alimentar o circuito da figura 1, será necessário um transformador de entrada, cuja saída será conectada ao conector CN1. Para calcular a tensão de secundário do transformador vamos considerar que o circuito regulador precise de um mínimo de 3V para funcionar. Assim, como a tensão na saída do circuito regulador é o valor já calculado de 12,4V, a tensão mínima de entrada deverá ser de12,4V + 3V = 15,4V.

Você já viu no módulo M038 como calcular a tensão de ripple em função dos capacitores e corrente. Aqui vamos fazer o contrário. Vamos calcular o valor da capacitância da associação de C1, C2 e C3 para garantir um ripple (Vr) de no máximo 3V, quando a corrente na saída da fonte for de 2A. Este valor para tensão de ripple Vr = 3V pode ser definido em função do circuito a ser alimentado e em função do valor final para os capacitores C1, C2 e C3. Quanto menor Vr, maior o valor dos capacitores. Escolhemos 3V por ser adequado ao projeto e garantir capacitores não muito elevados.

O valor de capacitância será dado pela fórmula:

Ct = (Ic x Tc) / Vr (esta fórmula você deduz do que foi apresentado no M038)

então:

Ct = (2A x 8,3mS) / 3V

Transformando para o mesmo sistema de unidades:

Ct = (2,2 x 0,0083) / 3 = 6,08 mF (miliFaraday) = 6080 uF (microFaraday)

Então vamos utilizar C1 = C2 = C3 = 2.200uF x 50V. Como você já sabe, a capacitância total de capacitores em paralelo é dada pela soma das capacitâncias individuais. Assim Ct = 6.600uF.

Completando nosso cálculo, a tensão de pico nos capacitores será dada por:

Vs = Vmin + Vr + 2 x Vdiodo

Onde:

Vs é a tensão no secundário do transformador;

Vmin é a tensão mínima na entrada do circuito regulador;

Vr é a tensão de ripple pico a pico;

Vdiodo é a tensão de condução de cada diodo retificador;

Assim:

Vs = 15,4V + 3V + 2 x 0,6V = 19,6V

Mas este valor é o valor mínimo, ou seja quando a rede está 10% abaixo do nominal. Então vamos acrescentar 10% neste valor calculado para chegar ao valor nominal de saída do transformador.

Vs = 1,1 x 19,6V = 21,6V

Ou seja, nosso transformador tem que gerar 21,6V de pico no secundário para nosso circuito funcionar adequadamente. Mas os fabricantes de transformador especificam a tensão do primário e secundário em Vrms. Você já sabe que para calcular o valor rms a partir do de pico, basta dividir por raiz de 2. Assim:

Vrms = 21,6 / √ 2 = 15,2Vrms;

Vamos arredondar para 16Vrms no secundário do transformador, que é um valor fácil de encontrar comercialmente.

O transformador fica assim então:

• Tensão de entrada: 127Vac e 220Vac (dois enrolamentos para permitir selecionar a tensão de entrada). Observe que na maioria dos estados brasileiros, a tensão oficial é 127Vac ou 220Vac. Mas alguns estados não obedecem a esta regra. Assim, pode ser necessário adaptar a especificação do transformador às tensões fornecidas em sua cidade.
• Tensão de Saída: 16Vrms;
• Corrente de Saída: 2,2A (10% de folga);
• Isolação entre primário - secundário: 800V. Especificar a tensão de isolação entre primário e secundário é importante para o fabricante escolher adequadamente o material isolante. O transformador de entrada, além de fornecer a tensão para a fonte, tem também a função de isolar nosso circuito da rede, evitando choques elétricos.

Escolha dos Diodos Retificadores

Cada diodo retificador trabalha apenas meio ciclo, já que a corrente ora circula por D1 e D4, ora por D3 e D2. Assim, para circular 2,2A na saída da fonte cada diodo deverá conduzir:

Id = 2,2 / 2 = 1,1A

Dando uma folga de 20% temos:

Id = 1,1A x 1,2 = 1,3A

Outra característica importante na escolha dos diodos é a tensão reversa. Os diodos são projetados para resistir a uma tensão reversa máxima quando estão reversamente polarizados. No nosso circuito esta tensão é aproximadamente a tensão de pico de carga dos capacitores. Esta tensão vai aparecer quando a rede elétrica estiver 10% acima do nominal. Nesta situação a tensão de carga de pico dos capacitores vai ser dada por:

Vmax = 16Vrms x 1,1 x √ 2 = 24,9V

Vamos escolher o diodo 1N5402 que é especificado para 3A e tensão reversa de 200V.

Escolha do Transistor Regulador T1

O transistor T1 é o componente que vai efetivamente regular a tensão de saída da fonte. A tensão de saida será dada pela tensão de base de T1 - Vbe, que é a tensão base-emissor de T1. Vbe = 0,7V tipicamente para transistores de silício.

T1 deve ser escolhido em função da corrente que vai conduzir (2,2A) e dissipação máxima.

A dissipação máxima será dada pela tensão Vce (coletor-emissor) e corrente de 2,2A. A tensão máxima Vce em T1 será:

Vce = Vp - Vsaida

Onde:

Vp é a tensão máxima na entrada do circuito regulador;

Vsaida é a tensão de saida da fonte;

Então:

Vce = 24,9V - 12,4V = 12,5V

A potência dissipada em T1, nesta condição, será dada por:

Pmax = Vce x Ic = 12,5V x 2,2A = 27,5W

O transistor TIP41C pode dissipar até 65W. Mas observe a especificação do fabricante:

Pela especificação para dissipação máxima, se o transistor for montado sem dissipador a uma temperatura ambiente de 25°C, ele só consegue dissipar 2W. Ou seja, nesta aplicação tem de ser utilizado dissipador de calor. Se o dissipador mantiver o encapsulamento do transistor a 25°C (tem de ser um bom dissipador) ai T1 pode dissipar até 65W.

Diodo Zener

Qual a corrente que circula pelo zener Z1 e qual a dissipação de potência nele?

Vamos analisar o pior caso que é para a máxima tensão ne carga dos capacitores. A corrente que circula pelo zener é dado por:

Izener = (Vmax - Vzener) / R1 = (24,9V - 13V) / 1K = 11,9mA

A potência dissipada pelo zener é dada por:

Pzener = Vzener x Izener = 13 x 11,9mA = 155mW

O zener escolhido é para 1W.

Assim, nosso projeto fica finalizado. Se você quiser montar esta fonte fixa com outra tensão de saída ou capacidade de corrente, repita os cálculos acima com seus novos parâmetros.