WD projetos: Fonte de bancada 01.

Wellington R. Domingos.

Nesse artigo, trago o projeto de uma fonte de bancada para uso geral, instrumento de laboratório muito importante na bancada do projetista. Esse se trata de um circuito simples e de fácil entendimento, o leitor iniciante não terá problemas na hora de montá-lo.

A fonte de bancada ou fonte de tensão variável, é um circuito que consegue variar a tensão de saída para determinados valores de tensão, fixo ou variável controlado. No projeto que trago aqui teremos um controle variável da tensão de saída que terá uma valor mínimo de 1,25V e um valor máximo de 15V, além de poder fornecer uma corrente máxima de 1A, o que é o suficiente para alimentar os mais variados tipos de circuitos, principalmente os de microcontroladores e circuitos lógicos.

Diagrama em blocos.

Na figura 01, temos o diagrama em blocos do circuito que nada mas é do que uma representação de cada parte do circuito do projeto. Nele temos cada etapa do circuito, desde os que fazem parte da placa de circuito impresso até os que não fazem, como por exemplo a rede elétrica e transformador. Quando o circuito é muito grande separamos ele em blocos, assim podemos trabalhar separadamente em cada etapa do mesmo para um melhor resultado, vejam que temos 8 blocos em nosso circuito, o bloco do transformador é responsável por reduzir a tensão que vem da rede elétrica, ele rebaixa essa tensão para uma tensão menor de acordo com o necessário para o projeto, no nosso caso, 18V. O bloco do retificador é responsável por transformar esse tensão alternada entregue pelo transformador em uma tensão contínua pulsante, e o bloco do filtro filtra essa oscilação da tensão, deixando-a o mais contínua possível, e assim, ela é entregue ao bloco do regulador principal, responsável por regular essa tensão para os níveis necessário na saída. O bloco do regulador secundário, é um regulador a parte para o controle de algum circuito paralelo ao circuito da fonte, no nosso caso ele será utilizado para alimentar o bloco do circuito digital que irá controlar a saída da fonte. O bloco de saída é apenas a saída da fonte, os terminais - e +, ou bornes vermelhos e pretos que ficam no painel da fonte.

Como funciona.

Na figura 02, temos o circuito equivalente ao diagrama em blocos, vejam que cada bloco do circuito está marcado em vermelho para ser

identificado. Começamos pelo transformador figura 03, ele recebe a tensão da rede elétrica AC e transforma ela em uma tensão menor de acordo o necessário para o circuito, no nosso caso são 18V AC e fornece uma corrente máxima de 1,5A, veja na figura 04 os cálculos efetuados no bloco do transformador. Na formula 01, calculamos a corrente máxima

que o transformador deve fornecer para se projetar uma fonte de 1A, no nosso caso ele deve fornecer uma corrente de 1.4A, na fórmula 02, calculamos a potência da fonte, na formula 03, calculamos a corrente de entrada no primário do transformador para uma tensão de 220V e na formula 04 para uma tensão de 110V, e na formula 05, calculamos o fusível

para ambas as tensões de entrada. Na figura 05, temos o bloco do retificador, ele recebe a tensão alternada entregue pelo transformador e retifica ela, transformando-a em uma tensão contínua pulsante, como se trata de um retificador de anda completa, ele pega o semiciclo negativo e passa para cima, com isso temos o dobro da frequência, que era de 60Hz e agora é de 120Hz e uma tensão de pico maior. Na figura 06, temos os cálculos efetuados nessa parte do circuito, na formula 06, calculamos a tensão de pico máxima que teremos, na fórmula 07, calculamos a tensão de pico no capacitor, V_D é a queda de tensão dos diodos da ponte retificadora, que no caso não dois para cada lado do transformador, na formula 08, calculamos a frequência que no caso o dobro da frequência da rede, e na formula 09, calculamos a variação do tempo, na frequência dobrada.

Na figura 07, temos o bloco do filtro, ele é responsável por filtrar a tensão retificada pulsante entregue pelo retificador e transformá-la em uma tensão contínua o mais pura possível, no entanto, com o consumo da carga alimentada pela fonte, surgirão ondulações nessa tensão filtrada, chamada de ripple, nessa ondulação temos o que chamamos de tensão de riplle, que deve

ser controlada pelo filtro. Na figura 08 temos o exemplo de tensão de ripple, o capacitor se descarrega até certo ponto, e desse ponto até o máximo da tensão de pico, temos o que chamamos de tensão de ripple, até a descarga máxima do capacitor temos a tensão mínima, e entre a tensão mínima e a tensão máxima temos a tensão média, que são as tensões em cima do capacitor, ver figura 09. Na figura 10, temos os cálculos efetuados nessa parte do circuito para identificar a tensão de ripple, também conhecida como tensão de ondulação e as

faixas de tensão em cima do capacitor. Na formula 10, calculamos a tensão de ripple, na formula 11, calculamos a tensão mínima no capacitor, na formula 12 calculamos a tensão média no capacitor e na formula 13 calculamos o fator de ripple. O fator de ripple calculado na formula 13 é um fator que deve ser levado em consideração, a tensão de ripplo pode prejudicar o funcionamento de circuitos sensíveis e circuitos amplificadores, por isso esse fator de ripple deve ser

respeitado, existem regras para seguir ao determinar o fator de ripple.

Regra 01: Para cada ampere que a fonte
fornece, deve-se utilizar um capacitor de 1000uF. Essa regra não é aconselhada para fontes de amplificadores de áudio.

Regra 02: A tensão de ripple dever ser de no máximo 10% do valor de tensão de pico. Essa regra é para circuitos digitais e circuitos de uso geral, não aconselhada para circuitos sensíveis e circuitos de amplificadores.

Regra 03: Fontes para equipamentos de uso geral devem ter fator de ripple de até 25% e para fontes profissionais deve ser menor que 10%. Essa é a regra mais indicada.

Como o nosso projeto é para alimentar circuitos de uso geral, iremos utilizar a regra 2, pois queremos um circuito fácil e simples, no entanto se o leitor poder seguir a regra 3 terá um equipamento mais eficiente.

Na figura 11. temos o bloco do regulador secundário, que irá alimentar o circuito digital que irá controlar a saída da fonte, ligar e desligar, ele é baseado no estabilizador de tensão feito com diodo zener, o transistor funciona como driver de corrente para o circuito. Na figura 12, temos os cálculos efetuados nessa parte do circuito. A formula 14 calcula a corrente máxima do diodo e a formula 15 a corrente mínima, a formula 16 calcula um valor máximo para o resistor do

diodo e a formula 17 um valor mínimo para esse resistor, a formula 18, calcula um valor médio mais adequado para esse resistor, a formula 19 calcula a corrente em cima desse resistor e a formula 20 calcula a potencia desse resistor, a potência do resistor deve ser pelo menos 3x maior que a calculada, e formula 21 vai calcular a corrente máxima que o regulador zéner irá fornecer, caso o transformador dê conta.

Na figura 13, temos o bloco do regulador principal, esse regulador irá controlar a saída da fonte, onde teremos uma saída variável de 1,25V até 15V, para isso temos que calcular o valor de resistor R1, colocamos então um valor fíxo no resistor R2 que será um potenciômetro de 10k, com isso podemos calcular o valor do resistor conforme visto na figura 14. na formula 22, temos a equação fornecida pelo fabricante do regulador usado, o LM317, para calcularmos os resistores R1 e R2, fazemos e equacionamento da equação,

veja as formulas 23 e 24, definimos então o valor de 10k para R2 e calculamos R1 para 949,27R usamos o valor comercial maior mais próximo ou realizamos uma associação de resistores para nos aproximarmos do valor calculado.

Circuito.

Na figura 15, temos o circuito final do projeto, notem que na parte do retificador, usamos oito diodos 1N4007 ligados em paralelos de dois diodos, essa técnica só é válida para circuitos de baixa corrente, o aconselhado é usar diodos que suportem maior corrente, o filtro foi utilizado três capacitores ligados em paralelo dois de 1200uF e um de 1000uF totalizando uma capacitância final de 3400uF. No regulador principal, R2 foi usado uma associação em série de dois resistores de 470R totalizando uma resistência final de 940R, C6 e C7 são filtros de saída e R4 é um resistor de

carga inicial, essa carga é obrigatória em circuitos de fontes lineares, é usada para que a fone não fique flutuando. No regulador secundário, D13 protege o diodo zener D12 contra a descarga do capacitor C8 e o regulador LM7805 regula a tensão final para 5V para alimentar o circuito lógico, a saída da fonte é controlada por um relé de 5V que liga e desliga a saída da fonte, esse relé é controlado por um botão lido pelo flip-flop JK do circuito integrado CD4027. O transformador e os demais componentes de entrada do transformador não fazem parte da

placa de circuito impresso, ficam na parte da estrutura física da montagem, figura 16. Foi utilizado um transformador de 9V+9V/1A, o correto é um transformador de 1,5A, nesse tipo de transformador ignora-se o tap central e a ligação é feita apenas usando os fios extremos do transformador.

Montagem.

Na figura 17 temos o desenho da placa de circuito impresso do nosso projeto, vejam que é uma placa de face simples e com trilhas largas, podendo assim ser confeccionada a mão, veja na figura 18 o exemplo em 3D da placa. No nosso caso montamos em placa ilhada, figura 19 e 20, a estrutura da montagem foi usada uma caixa plástica comum, encontrada em lojas de componentes eletrônicos, a placa foi fixada com fita isolante,pois o espaço é pequeno e ela não irá

Figura 19: Montagem em placa ilhada.

ficar sacudindo dentro, figura 21, o transformador foi preso por parafusos na parte superior da caixa, figura 22, na tampa da caixa fixamos os medidores analógicos, os LEDs, a chave liga desliga, o potenciômetro e os bornes de saída, e o botão que libera a saída da fonte, figuras 23, e 24. Nas figura 25 e 26, vemos como fica a montagem com tudo dentro da caixa, a caixa é fechada com presilhas de plástico que a acompanham, figura 27, e nas figuras 28, 29, 30, 31, temos a montagem completa em ângulos diferentes. Osmedidores analógicos são galvanômetros simples, veja a figura 32, podem ser encontrados facilmente no mercado local ou por importação e são baratos.

Figura 20: Montagem em placa ilhada.

Figura 21: Placa fixa com fita isolante.

Figura 22: Posição do transformador.

Figura 23: Painel frontal.

Figura 24: Painel frontal.

Figura 25: Visão geral da montagem.

Figura 26: Organização de montagem.

Figura 27: Presilha da caixa.

Figura 28: Parte frontal da montagem.

Figura 29: Parte esquerda da montagem.

Figura 30: Parte direita da montagem.

Figura 31: Parte de traz da montagem.

Conclusão.

Nessa postagem, vimos como construir uma fonte de bancada simples para uso geral, espero ter ajudado a quem estava procurando assunto sobre o tema. Iremos trazer mais projetos de fontes aqui no blogue, e em nosso canal do YouTube Canal WD Projetos.

Vídeos.

Vejam os vídeos do projeto da fonte de bancada 01 publicados em nosso canal do YouTube, aproveite também para se inscrever lá, os projetos são publicados primeiramente lá.

Vídeo 01.