Instituto Federal de Santa Catarina ‐ IFSC Campus Joinville Curso Técnico em Eletroeletrônica JOSÉ FLÁVIO DUMS Relatório de desenvolvimento Projeto de um Inversor de Tensão – Etapa 1 Joinville‐ SC Setembro de 2009
Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial Sumário 1 Introdução ............................................................................................................................. 3 2 Estudo da estrutura e metodologia de projeto. .................................................................... 5 2.1 Funcionamento do circuito. .......................................................................................... 5 2.1.1 Primeira etapa de operação. ................................................................................. 6 2.1.2 Segunda etapa de operação. ................................................................................. 6 2.1.3 Regulação da tensão. ............................................................................................ 7 2.1.4 Formas de ondas. .................................................................................................. 7 2.2 Metodologia de projeto do circuito. ............................................................................. 9 2.2.1 Dimensionamento dos capacitores. ...................................................................... 9 2.2.2 Dimensionamento dos diodos. ........................................................................... 11 2.2.3 Calculo térmico dos reguladores de tensão. ....................................................... 12 3 Layout e montagem do protótipo. ...................................................................................... 14 4 Ensaios práticos. .................................................................................................................. 16 5 Conclusão. ........................................................................................................................... 19 6 Referências bibliográficas ................................................................................................... 20 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 1 Introdução Desde a sua descoberta pelo filósofo grego Tales de Mileto, no início do século XVII, passando por toda evolução decorrida dos estudos de diversos físicos, nos séculos seguintes, bem como com a instalação da primeira usina hidrelétrica junto às cataratas do rio Niágara em meados do século XIX [1], e culminando com os dias atuais, a eletricidade tem se mostrado um grande avanço no fornecimento de energia para o acionamento dos mais diversos tipos de equipamentos e máquinas. No decorrer desta história, também a eletrônica se fez presente. Seu surgimento se deu no final do século XIX, a partir de experiências realizadas por Tomas Edison, Heinrich Hertz entre outros. Já a sua evolução apresenta alguns marcos importantes, como o ocorrido em 1907 quando Lee de Forest inventa a Válvula Triodo. A partir daí, os mais diversos tipos de sistemas eletrônicos passam a ser criado, como o rádio, osciloscópio entre outros equipamentos. [2] Mas foi em 16 de dezembro de 1947 que a eletrônica sofreu sua maior revolução. Foi nessa data que William Bradfor Shockley, John Bardeen e Walter Houser Brattain inventaram o transistor. [3] A partir deste momento, inúmeros dispositivos passaram a ser inventados e a miniaturização dos equipamentos já existentes tornou‐se possível. Esta é por muitos considerada a maior invenção da história moderna. Com a evolução da eletrônica, diversos sistemas passaram a ser criados, e juntamente com eles surge a necessidade de condicionar a energia elétrica, de forma a alimentar os sistemas em desenvolvimento. Como uma possível solução para esta necessidade; criaram‐se as primeiras fontes lineares reguladas, que são assim chamadas por possuírem um circuito integrado ou um transistor operando de forma linear em sua saída. Mais adiante, por volta de 1960, as fontes chaveadas começam a ser desenvolvidas, visando sua aplicação nos programas espaciais. O objetivo de seu desenvolvimento era a substituição das fontes reguladas, do tipo lineares, que são pesadas, volumosas e dissipativas, por fontes compactas e de alto rendimento. [4] Hoje em dia, as fontes chaveadas são altamente empregadas como dispositivos de alimentação para as mais diversas aplicações, como conversores de alta potência, No‐Breaks, [4] sistemas embarcados, microcomputadores, carregadores de celular entre outros. Nesta primeira etapa do projeto a ser desenvolvido na disciplina de eletrônica industrial, será projetada e construída uma fonte de alimentação do tipo linear e regulada. Esta escolha se dá pela facilidade de desenvolvimento que este tipo de fonte possui frente ao projeto de uma fonte chaveada. Soma‐se a isso também o fato de uma fonte chaveada envolver um custo mais elevado de desenvolvimento, por necessitar de um maior numero de dispositivos semicondutores, que necessitariam ser adquiridos pelo executor. 3 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial Desta forma, o projeto que se segue trata do estudo e desenvolvimento de uma fonte linear e regulada, operando com saídas simétricas em 12 Volts (V) e com capacidade de corrente de até 0,5 Ampères (A) por saída. Este relatório trará a descrição do circuito e o seu funcionamento, a metodologia de projeto adotada e o projeto de um protótipo de acordo com as especificações já citadas. Por fim será implementado um protótipo com o qual se verificará a coerência da metodologia adotada, além da obtenção de uma validação prática para o estudo realizado, a partir de ensaios e aquisições. 4 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 2 Estudo da estrutura e metodologia de projeto. Por tratar‐se neste projeto de uma fonte simétrica com saídas em +12V e ‐12V, a partir de uma alimentação da rede elétrica, é notória a necessidade de se utilizar um transformador para reduzir a tensão, e desta forma adaptá‐la a níveis mais convenientes para a montagem do protótipo. O circuito proposto para esta aplicação, tendo em vista a percepção já mencionada, é apresentado na Figura 1. Trata‐se de um retificador de onda completa em ponte, com cargas em série, porém com uma ligação adicional entre o ponto médio do transformador e ponto de referência das tensões nas saídas. A vantagem desta configuração se dá pelo fato de que se obtém o comportamento de dois retificadores de onda completa, um e cada carga, com a utilização de apenas um transformador e quatro diodos. Desta forma, tem‐se redução de custos no projeto pela não necessidade de número elevado de semicondutores bem como a redução do valor da capacitância necessária para manter uma ondulação de tensão dentro dos limites toleráveis na entrada dos reguladores de tensão. CI1
+12V
LM7812C
D1
D2
C1
C3
C2
C4
V2
V1
V2
D3
D4
LM7912C
-12V
CI2
Figura 1 ‐ Circuito da fonte implementada. 2.1 Funcionamento do circuito. A seguir será apresentada a descrição do funcionamento do circuito proposto na Figura 1. Esta descrição se dará por meio da análise das etapas de operação do circuito, considerando como parâmetro de separação das etapas a rede elétrica, operando nos dois semi‐ciclos da onda senoidal. 5 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 2.1.1
Primeira etapa de operação. Nesta etapa de operação, tem‐se o semi‐ciclo positivo da rede elétrica. Desta forma a energia elétrica provinda do enrolamento superior do secundário do transformador, circula, na forma de corrente elétrica, através do diodo D1 e fornece energia ao capacitor C1, permitindo que este se carregue com o valor de pico da tensão do enrolamento. Esta carga se dá enquanto a tensão do capacitor estiver abaixo dos valores instantâneos daquela tensão. A mesma situação ocorre com a energia do enrolamento inferior do secundário do transformador. Esta energia circula em forma de corrente elétrica através do diodo D4, permitindo com isso que se carregue o capacitor C2. A Figura 2 ilustra esse funcionamento. CI1
CI1
+12V
+12V
LM7812C
D1
LM7812C
D2
D1
C1
D2
C3
V2
C1
C3
C2
C4
V2
V1
V1
V2
V2
C2
D3
C4
D4
D3
D4
LM7912C
LM7912C
-12V
-12V
CI2
CI2
Figura 2 ‐ Primeira etapa de operação. 2.1.2
Segunda etapa de operação. Nesta etapa de operação, tem‐se o semi‐ciclo negativo da rede elétrica. Desta forma a energia elétrica provinda do enrolamento inferior do secundário do transformador, circula, na forma de corrente elétrica, através do diodo D2 e fornece energia ao capacitor C1, permitindo que este novamente se carregue com o valor de pico da tensão do enrolamento. A mesma situação ocorre com a energia do enrolamento superior do secundário do transformador. Esta energia circula em forma de corrente elétrica através do diodo D3, permitindo com isso que se carregue o capacitor C2. A Figura 3 ilustra esse funcionamento. CI1
CI1
+12V
+12V
LM7812C
D1
LM7812C
D2
D1
C1
D2
C3
V2
C1
C3
C2
C4
V2
V1
V1
V2
V2
C2
D3
C4
D4
D3
LM7912C
D4
LM7912C
-12V
CI2
-12V
CI2
Figura 3 ‐ Segunda etapa de operação. 6 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 2.1.3
Regulação da tensão. Depois de retificada e filtrada, a tensão sobre os capacitores C1 e C2 é então fornecida para os Circuitos Integrados (CIs) responsáveis pela regulagem da tensão de saída do circuito. Estes dispositivos têm a capacidade de manter uma tensão de saída constante, independentemente da corrente que deles seja exigida, desde que esta não ultrapasse os limites por eles toleráveis. Outra garantia a ser dada, para o seu correto funcionamento, é que a tensão de entrada do mesmo esteja dentro de uma faixa de valores toleráveis, os quais podem ser encontrados no “datasheet” do componente em questão [5]. Os capacitores de saída, indicados na Figura 1 como C3 e C4 não são necessários do ponto de vista de projeto, contudo o fabricante sugere sua utilização, sendo que os valores usuais para estes componentes também são fornecidos por ele, através do “datasheet” [5]. A importância destes capacitores se dá quando de uma demanda instantânea de corrente, superior a capacidade dos reguladores, for exigida pela carga. Estes componentes têm a capacidade de fornecer essa demanda de corrente, evitando com isso que a tensão na saída do regulador sofra uma variação negativa, perdendo com isso a regulagem do sistema. 2.1.4
Formas de ondas. Para uma completa interpretação do funcionamento do circuito proposto, a seguir serão apresentadas algumas formas de onda relativas ao seu funcionamento. Estas formas de onda podem ser visualizadas na Figura 4. Como primeira forma de onda, se apresenta a tensão de saída em um dos secundários do transformador. Esta onda é a equivalente ao funcionamento do circuito sem carga. Esta forma de onda permite verificar os valores de tensão de pico existentes, uma vez que, ao acrescentar uma carga, esta forma de onda apresentará distorções significativas devido os picos de corrente nas cargas dos capacitores. Em seguida, apresentam‐se as formas de onda da ondulação de tensão nos capacitores C1 e C2, bem como as correntes dos mesmos. Nota‐se que, quando da carga dos capacitores, os picos de corrente são elevados, podendo chegar a mais de 5,0 A. É nesse momento que se tem o crescimento dos valores de tensão. Já na descarga, a corrente se mantém em um valor praticamente constante de 500 mili Ampères (mA), o que faz com que a descarga dos capacitores ocorra de forma linear. Isso se deve a característica do circuito, que disponibiliza na saída uma tensão constante. Como ela é aplicada em uma carga ôhmica, a corrente de saída segue a mesma característica. Na seqüência, também são apresentadas formas de onda de tensão e de corrente nos diodos do circuito. Nota‐se que durante os tempos de carga dos capacitores, os diodos estão conduzindo, e neste momento suas tensões é aproximadamente zero volt. É neste intervalo de tempo que a corrente de carga dos capacitores circula pelos diodos. Durante todo o restante de tempo, onde a tensão nos capacitores é maior que a tensão dos secundários do transformador, os diodos estão bloqueados. Estes intervalos de tempo podem ser vistos como 7 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial os instantes em que a corrente nos diodos é nula e a tensão apresenta valores negativos. Como detalhe das tensões nos diodos, pode‐se verificar que o seu valor de pico tem o dobro da amplitude do valor de pico da tensão na carga. Isso é característica dos circuitos retificadores com ponto médio. 20V
0V
-20V
Tensão em um dos secundários do transformador (sem carga)
16V
15V
14V
Ondulação de tensão (ripple) no capacitor C1
5.0A
0A
-5.0A
Corrente no capacitor C1
-14V
-15V
-16V
Ondulação de Tensão (ripple) no capacitor C2
5.0A
0A
-5.0A
Corrente no capacitor C2
0V
-20V
-40V
Tensão nos Diodos D1 e D4
8.0A
4.0A
0A
Corrente nos diodos D1 e D4
0V
-20V
-40V
Tensão nos diodos D2 e D3
8.0A
4.0A
0A
100ms
105ms
Corrente nos diodos D2 e D3
110ms
115ms
120ms
125ms
Tempo
130ms
133ms
Figura 4 ‐ Formas de onda esperadas para o circuito proposto. 8 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 2.2 Metodologia de projeto do circuito. Após o entendimento do funcionamento do circuito proposto, a etapa seguinte é o projeto e dimensionamento dos componentes a serem empregados, visando o seu correto funcionamento, bem como as condições adequadas para sua operação, sem prejuízo de queima de componente, mau funcionamento da estrutura ou perda de regulagem. 2.2.1
Dimensionamento dos capacitores. Como forma de especificar os capacitores, é necessário conhecer os valores da ondulação de tensão que ele poderá permitir na entrada do regulador de tensão. Para tanto, faz‐se necessário conhecer os limites de tensão fornecida pelo transformador, às quedas de tensão decorrentes do funcionamento dos diodos e os valores limites de tensão toleráveis pelos reguladores. Como transformador, para adequar a tensão de entrada do circuito retificador, será utilizado um transformador de 220V de entrada e uma saída de 24V, com derivação central. Desta forma ter‐se‐á um secundário com tensões de 12V+12V. Conforme visto na descrição do funcionamento do circuito, a tensão de uma derivação do secundário será aplicada ao capacitor, sendo que este deverá grampear entre seus terminais uma tensão equivalente a tensão de pico do secundário, porém descontando a queda de tensão em um diodo. De acordo com o “datasheet” [6], o diodo escolhido para este projeto, proporciona uma queda de tensão de aproximadamente 1,1V quando o circuito estiver drenando uma corrente instantânea de aproximadamente 5A. Desta forma, a tensão de pico máxima possível no capacitor é dada conforme a equação (1.1), onde VSpk é a tensão de pico do enrolamento secundário e VD é a queda de tensão do diodo. O valor de VSpk é dado conforme a equação (1.2), onde V2 é a tensão eficaz do secundário. VC max = VSpk − VD (1.1) VSpk = 2 ⋅ V2 (1.2) Aplicando os valores de VD, obtido de seu “datasheet” e de V2 conforme o transformador especificado, tem‐se o valor da tensão máxima no capacitor (VCmax), determinado conforme a equação (1.3) VC max =
(
)
2 ⋅12 − 1,1
∴
VC max = 15,8V (1.3) Por outro lado, a tensão mínima que poderá ser admitido sobre o capacitor depende do circuito ao qual esta tensão será aplicada, no caso, o Circuito Integrado (CI) regulador de tensão. De acordo com o “datasheet” [5] deste componente, a mínima tensão que garante seu correto funcionamento é de 14,5V, assim, considera‐se este valor como o valor de tensão mínima no capacitor (VCmin). 9 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial Também é importante conhecer a potência que será consumida nos capacitores, pois ela é função da corrente a ser drenada pela carga, que também é um parâmetro especificado neste projeto. Conhecendo‐se esta potência, passa a ser possível determinar a capacitância mínima necessária a ser utilizada. A potência de saída (PL) sobre o capacitor pode ser determinada conforme a equação (1.4). Nesta equação, R é um valor de resistência que representa a carga máxima que poderá ser ligada na saída do circuito. Seu valor pode ser estimado pela tensão média do capacitor e pela corrente máxima a ser drenada, conforme mostra a equação (1.5). PL
(V + VC min )
= C max
4⋅ R
R=
2
VC max + VC min
2 ⋅ iL
(1.4) (1.5) Resolvendo as equações (1.5) e (1.4), é possível determinar o valor de PL, conforme mostra a sequência de equações a seguir, e cujo resultado final é apresentando em (1.7). 15,8 + 14,5
∴ R = 30,3Ω 2 ⋅ 0,5
R=
(15,8 + 14,5)
=
PL
4 ⋅ 30,3
(1.6) 2
∴ PL = 7,575W (1.7) De posse dos resultados obtidos, já é possível determinar o valor mínimo do capacitor a ser empregado neste circuito. Para tanto, aplica‐se a equação (1.8) mostrada a seguir [7], onde o parâmetro f é a frequência da onda retificada, ou seja, neste caso, por tratar‐se de um circuito de retificação de onda completa, f equivale a 120Hz. Desta forma, a resolução da equação (1.8) é apresentada em (1.9). 2 ⋅ PL
f ⋅ (VC max 2 − VC min 2 )
(1.8) 2 ⋅ 7,575
∴ C = 3, 2mF 120 ⋅ (15,82 − 14,52 )
(1.9) C=
C=
O valor encontrado na equação (1.9) significa que é necessário, no mínimo, uma capacitância de 3.200 micro Farad (μF). Na prática, como este valor não existe comercialmente, adota‐se um capacitor com valor comercial acima, ou então, associam‐se capacitores de forma a obter um valor próximo ao calculado. Neste caso, por exemplo, pode ser utilizado um capacitor de 2.2000 μF em paralelo com um capacitor de 1.000μF. Devido as características do circuito, é importante que o capacitor seja capaz de suportar, no mínimo, uma tensão de 16 Volts (tensão de pico do secundário do transformador). Para 10 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial tanto, serão utilizados capacitores de 25V. Desta forma, tem‐se uma margem de segurança, em caso de imprevistos ou sobre tensão da rede elétrica. 2.2.2
Dimensionamento dos diodos. Outro tipo de componente fundamental neste circuito são os diodos retificadores. Eles têm a função de converter a tensão que alimenta o circuito, na forma alternada, em uma tensão com valor médio diferente de zero (tensão retificada). Para se especificar o diodo corretamente, são necessários alguns parâmetros provenientes da operação do circuito. São eles: o valor médio da corrente em cada diodo, a tensão de pico reversa que ele deverá suportar e a potência dissipada. Os dois primeiros parâmetros são utilizados para a escolha do diodo. Já o terceiro parâmetro deve ser obtido para garantir que o componente opere normalmente sem correr o risco de destruição por superaquecimento. De acordo com as especificações do projeto, e pela análise já realizada do circuito, é possível identificar que a corrente média que cada diodo suporta, pode ser determinada pela equação (1.10), onde ILmed é o valor de corrente máxima de saída, cujo valor foi especificado no início do projeto como sendo 500mA por saída. I Dmed =
I Lmed
∴ I Dmed = 250mA 2
(1.10) Em relação à tensão reversa que o diodo deverá suportar, de acordo com a Figura 4 é possível identificar que a tensão máxima aplicada no diodo equivale a duas vezes a tensão de pico de uma derivação secundária. Calculando este valor, chega‐se a uma tensão reversa de 33,94V. Analisando os valores obtidos, adota‐se como um diodo possível, qualquer componente da família 1N400X, pois estes são capazes de suportar tensões a partir de 50V e correntes médias de até 1,0 A. Parâmetros estes que atendem com tranqüilidade os limites impostos pelo circuito. Para a realização do cálculo da potência dissipada, é necessário conhecer também o valor de corrente eficaz nos diodos. Este pode ser obtido conforme indica a equação (1.11). I Def =
I Lmed
∴ I Def = 353mA 2
(1.11) Utilizando então a equação (1.12), é possível determinar o valor da potência dissipada pelo diodo, conforme equacionamento a seguir. Neste procedimento, os valores de VD e rD são obtidos a partir do “datasheet” [6] do diodo escolhido, sendo eles: VD = 0,6 e rD = 1Ω. PD = VD ⋅ I Dmed + rD ⋅ I Def (1.12) PD = ( 0, 6 ⋅ 0, 25 ) + (1, 0 ⋅ 0,3532 ) ∴ PD = 0, 275W (1.13) 11 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial Aplicando o resultado obtido em (1.13) na equação (1.14), tem‐se então o valor da resistência térmica do dissipador necessário para este componente. Nesta equação, TJ representa a temperatura máxima interna que o diodo pode suportar, e que é fornecida pelo fabricante em [6] e TA representa a temperatura do ambiente onde o circuito estará operando. Comparando o valor obtido em (1.15) com os dados fornecidos pelo fabricante do componente, percebe‐se que o valor calculado da resistência térmica esta muito acima do valor físico do componente, que é de 50oC/W. Esta característica denota que conforme a sua operação, o diodo não necessita de dissipador. TJ − TA
PD
(1.14) 175 − 50
∴ RTJA = 454,5 °C W
0, 275
(1.15) RTJA =
2.2.3
RTJA =
Calculo térmico dos reguladores de tensão. Componentes fundamentais deste circuito, os reguladores de tensão precisam estar operando dentro de condições adequadas. Isso implica dizer que o aquecimento dos reguladores precisa ser mantido dentro de limites toleráveis. Para saber se isso ocorrerá, é necessário proceder ao cálculo da potência dissipada durante a operação do circuito. Para determinar a potência dissipada, utiliza‐se a equação (1.16). PREG = (Vin − Vout ) ⋅ iL max (1.16) Para resolver a equação (1.16), é necessário determinar os valores das variáveis. A variável Vin é a tensão na entrada do regulador. Por esta tensão apresentar uma ondulação, considera‐
se a tensão média de entrada, conforme mostra a equação (1.17) e cujo valor é calculado em (1.18). A variável Vout é obtida pela tensão de saída do regulador. Neste caso, seu valor é constante e igual a 12V. Por fim, a variável iLmax é obtida pela especificação do projeto, que prevê uma corrente de saída máxima de 500mA. De posse destes valore, é possível então determinar a potência consumida pelo regulador de tensão, pela resolução da equação (1.16) cujo resultado é apresentado em (1.19). VC max + VC min
2
(1.17) 15,8 + 14,5
∴ Vin = 15,15V 2
(1.18) Vin =
Vin =
PREG = (15,15 − 12 ) ⋅ 0,5 ∴ PREG = 1,575W (1.19) Procedendo a análise da potência dissipada pelo componente, comparando com o gráfico disponibilizado pelo fabricante, e apresentado na Figura 5, é possível verificar que com este nível de energia sendo dissipada, o dispositivo pode operar em uma temperatura ambiente de 12 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial aproximadamente 100oC. Para este projeto, foi admitida uma temperatura ambiente máxima de 50oC. Desta forma tem‐se certeza de que o componente opera tranquilamente e não necessita de dissipador de calor. Figura 5 ‐ Máxima potência dissipada no regulador de tensão [5]. 13 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 3 Layout e montagem do protótipo. Como parte do projeto, fez‐se necessário a confecção em placa de circuito impresso, do protótipo projetado. Para tanto foi elaborado o layout a partir do circuito esquemático proposto na Figura 1. O resultado deste layout é apresentado na Figura 6, onde se tem a visão da vista superior (disposição dos componentes) e das trilhas para soldagem. Figura 6 ‐ Layout da placa de circuito impresso. Trilhas no lado esquerdo (E), disposição dos componentes no lado Direito (D). O Layout foi fabricado, através da transferência de imagem para a placa virgem, por meio de processo térmico e em seguida, pela corrosão em ácido “percloreto de ferro”. O resultado desta etapa pode ser visto na Figura 7. Figura 7 ‐ Placa de circuito impresso, após a corrosão ácida. Após a corrosão, a placa foi montada, utilizando para isso os componentes projetados, ferro de solda e estanho. Estes componentes foram soldados à placa apresentada, para em seguida poder proceder aos ensaios práticos e a análise dos resultados obtidos. A Figura 8 apresenta o resultado após a montagem. 14 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial Figura 8 ‐ Placa de circuito impressa montada. Disposição dos componentes (E), detalhe das soldas (D). 15 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 4 Ensaios práticos. Após a montagem realizada, procedeu‐se então aos ensaios práticos, para verificar se o projeto está atendendo as especificações admitidas nas etapas anteriores. A apresentação e a análise destes resultados serão expostas a seguir. A Figura 9 trás as formas de onda em uma das saídas do transformador. Estas duas formas de onda foram obtidas primeiramente sem a presença de carga nas saídas reguladas e em seguida com a presença de carga. Nota‐se que quando sujeito a uma carga próxima da nominal, as tensões de saída do transformador sofrem achatamento. Figura 9 ‐ Aquisição da tensão de saída do transformador sem carga (E) e com carga (D). (5V/div X 2ms/div) O achatamento verificado nos picos da tensão de são ocasionados pelos picos de correntes exigidos pelos capacitores, naquele momento. Como o tempo de carga dos capacitores é muito curto, frente ao período da rede, faz‐se necessário uma carga rápida. A forma de fornecer esta carga é através de uma corrente instantânea elevada. Lembrando que na saída do transformador existe uma impedância a ser considerada, quando por essa impedância circular uma corrente elétrica de valor elevado, ter‐se‐á um queda de tensão significativa na saída do transformador. Esta queda de tensão se torna visível então, pelo achatamento da forma de onda da tensão. Figura 10 ‐ Tensão de entrada do circuito (5V/div) e tensão no diodo D1 (10V/div). (2ms/div) A Figura 10 apresenta a tensão de saída do transformador juntamente com a tensão reversa sobre o diodo D1, conforme esquemático apresentado na Figura 1. Através destas ondas, é possível verificar que o intervalo de tempo em que a tensão de entrada sofre 16 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial achatamento coincide com o tempo que o diodo se mantém conduzindo, ou seja, o tempo em que sua tensão é nula. Essa constatação ratifica o que foi afirmado anteriormente sobre o achatamento da onda senoidal. A Figura 11 apresenta a tensão do diodo D1 juntamente com a tensão no capacitor C1. Esta aquisição foi realizada com o intuito de mostrar que o valor de pico de tensão negativa obtida nos diodos equivale a duas vezes os valores de pico de tensão obtida nos capacitores. Figura 11 ‐ Tensão no diodo D1 (10V/div) e tensão no capacitor C1 (5V/div). (2ms/div) Na sequência, tem‐se a Figura 12 que ilustra em detalhes a ondulação da tensão no capacitor C1 em conjunto com a tensão no diodo D1. Percebe‐se claramente por estas ondas que quando a tensão no capacitor esta aumentando, ou seja, ele está se carregando, a queda de tensão no diodo se mantém em zero, indicando que ele é quem está conduzindo a corrente de carga naquele instante. Também fica claro por estas formas de onda, que no momento em que a tensão no diodo sofre distorção no pico, devido à condução do diodo D2, tem‐se novamente um momento de carga do capacitor. Estas ondas reforçam, desta forma, o que havia sido verificado nas ondas anteriormente mostradas. Figura 12 ‐ Tensão no diodo D1(10V/div) e ondulação de ripple em C1 (0,5V/div). (2ms/div) As formas de onda apresentada pela Figura 13 mostram que o mesmo efeito que acontece com a tensão no capacitor C1 acontece também na tensão do capacitor C2. Ou seja, toda a análise desenvolvida anteriormente tem efeito igual quando observadas as tensões nos demais diodos do circuito, bem como no outro enrolamento secundário do transformador. 17 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial Figura 13 ‐ Tensões nos capacitores de entrada dos reguladores. (5V/div X 2ms/div) A última aquisição, apresentada pela Figura 14, ilustra a tensão de saída do circuito, após a regulagem e com carga total. Nota‐se que não existem ondulações nestas formas de onda, e que elas estão nos valores previstos em projeto, ou seja, +12V e ‐12V. Figura 14 ‐ Tensões de saída do circuito. (5V/div X 2ms/div) Após toda a análise realizada, percebe‐se claramente que o funcionamento do circuito esta ocorrendo dentro do previsto e conforme com os parâmetros especificados e empregados na etapa de projeto. A atenção e o respeito a estes valores fez com que o êxito fosse obtido após a montagem e os ensaios do circuito. 18 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 5 Conclusão. Após realizado o estudo da estrutura retificadora proposta para este projeto, algumas características de operação relevantes puderam ser comprovadas bem como algumas situações previamente não previstas foram verificadas. E de posse desses novos conhecimentos, alguns comentários relevantes podem ser tecidos. Verificou‐se que a estrutura desenvolvida é bastante auspiciosa para a proposta que se fez, tendo em vista sua baixa complexidade de implementação e baixo custo de produção frente aos resultados obtidos. Foi possível também constatar que algumas distorções não previstas na etapa de análise foram verificadas. No ensaio com carga da estrutura, devido à alta corrente de carga dos capacitores, ocorreu a distorção nos momentos de pico da tensão de alimentação. Essas distorções mostraram‐se relevantes, pois elas interferem nos valores máximos de carga dos capacitores, o que faz com que a ondulação de ripple da tensão de entrada dos reguladores atinja níveis críticos quando a máxima carga estiver instalada na saída do circuito. Esta distorção pode ser corrigida utilizando‐se um transformador de maior potência, assim, fornecendo uma capacidade de corrente suficiente para minimizar os efeitos de achatamento na forma de onda da tensão. Outra característica a ser destacada, é em relação aos tempos de condução dos diodos, quando da inserção de capacitores na saída dos retificadores. Percebeu‐se por este projeto que estes tempos reduzem, uma vez que os diodos somente entram em condução quando a tensão de entrada estiver acima da tensão instantânea dos capacitores. Por fim, apesar destas alterações que não estavam previstas, quando da análise inicial do circuito, o protótipo mostrou‐se adequado a aplicação desejada, e desta forma ele pode ser adotado como fonte de alimentação para as demais etapas do projeto, até que se tenha, ao final da quarta etapa, um inversor de tensão para acionamento de um motor monofásico de indução. Como sugestão, para uma possível miniaturização da placa, poderia ser adotado um transformador com tensões secundárias de 15V+15V. Esta substituição permitirá a redução dos capacitores de entrada dos reguladores, sem risco de perda de regulagem, pois a ondulação da tensão nos capacitores poderia atingir níveis maiores, e ainda assim estar dentro da faixa tolerável pelo regulador de tensão. 19 Instituto Federal de Santa Catarina Campus Joinville Eletrônica Industrial 6 Referências bibliográficas [1] História da Eletricidade. Disponível em: http://www.mundociencia.com.br/fisica/eletricidade/historiaeletricidade.htm. Acesso em 03/09/2009 às 17h00min. [2] A História da Eletrônica. Disponível em: http://www.if.ufrj.br/teaching/eletronica/texto2.html. Acesso em 03/09/2009 às 17h10min. [3] BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Sexta Edição. Editora LTC. Rio de Janeiro – RJ. [4] BARBI, Ivo. Projetos de Fontes Chaveadas. Edição do Autor. Florianópolis – SC. [5] LM78XX – Series Voltage Regulator. National semiconductors. Disponível em: http://www.national.com/ds/LM/LM7512C.pdf#page=1. Acesso em 10/09/2009 as 15h40min. [6] 1N4001 – 1N4007. Fairchild semiconductors. Disponível em: http://www.fairchildsemi.com/ds/1N/1N4007.pdf. Acesso em 17/09/2009 as 15h40min. [7] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. Edição do Autor. 3ª Edição. Florianópolis – SC. 20