Fonte com Proteção 0 a 15 V com 2 A (ART2097)

Descrevemos uma fonte de alimentação com proteção e saída variável entre 0 e 15 V para correntes máximas de 2 ampères. De grande utilidade na bancada, esta fonte se caracteriza pelo uso apenas de transistores o que pode significar um projeto ideal para finalidades de acesso a componentes mais modernos.

Fontes de alimentação são indispensáveis na bancada de trabalhos eletrônicos e para os que realizam montagens é fundamental que a saída seja ajustada numa boa faixa de valores de tensões.

Indo além, se o experimentador não for dos mais experientes é mais do que conveniente que a fonte seja protegida contra curto-circuitos na saída ou mesmo excesso de corrente.

A fonte que descrevemos preenche os requisitos acima citados e além disso é relativamente simples de montar dado o fato de que usa somente componente discretos.

Os transistores são absolutamente comuns no nosso mercado e o restante dos componentes passivos não oferece maiores dificuldades de obtenção.

O sistema de proteção é bastante eficiente: se ocorrer um curto na saída ou a corrente superar um valor pré-determinado, um relé desliga automaticamente a saída da fonte cortando a alimentação da carga e ao mesmo tempo um LED de alerta acende.

Mesmo que a corrente na carga tenda a voltar ao normal ou o curto circuito seja desfeito, para reativar a fonte será preciso uma ação externa pressionando-se por um momento um interruptor.

A capacidade de saída de 2 ampères e mais do que suficiente para a maioria das aplicações práticas.

CARACTERÍSTICAS

Tensão de entrada: 110 ou 220 V c.a.

Tensões de saída: variável de 0 a 15V

Corrente máxima de carga: 2 A

Proteção: tipo crowbar com relé

COMO FUNCIONA

Na figura 1 temos o diagrama de blocos da nossa fonte de alimentação.

Figura 1 – Diagrama de blocos

Trata-se basicamente de uma fonte convencional em que a retificação é onda completa feita a partir do secundário de um transformador com tomada central, utilizando-se para isso dois diodos. A filtragem é feita por um eletrolítico de alto valor.

A variação da tensão de saída é feita a partir de um divisor de tensão em que temos um diodo zener fornecendo a referência para um potenciômetro comum de valor relativamente alto para não carregar o circuito.

A tensão de referência é aplicada a um par de transistores na configuração Darlington. Obtém-se assim, um ganho suficientemente elevado para que, com uma corrente muito pequena na base do primeiro transistor (Q1) se obtenha uma corrente de emissor no segundo da mesma ordem de grandeza exigida pelo projeto em sua carga máxima.

Como os dois transistores na configuração Darlington necessitam de pelo menos 1,2 V para iniciar a condução, o ponto de zero do cursor do potenciômetro é deslocado para próximo deste valor pelo resistor R6.

Eventualmente, em caso de não zerar a tensão no mínimo do potenciômetro, basta reduzir o valor deste componente. Isso poderá ocorrer em função da tolerância normal dos componentes usados.

A proteção funciona da seguinte forma:

Um SCR em série com um relé é ligado ao circuito, controlando a passagem da corrente para a seção de regulagem de tensão. Desta forma, só a teremos tensão na etapa de regulagem e, portanto, na saída, se o rele estiver com a bobina desenergizada o que ocorre com o SCR desligado.

O disparo do SCR é feito pela corrente que passa através do resistor R2.

SCRs comum precisam de tensões da ordem de 0,6 V para disparar (tipicamente entre 0,4 e 1 V segundo o manual do fabricante).

Dimensionamos então R2 de tal forma que, quando a corrente superar 2 ampères a queda de tensão chegue aos 0,6 V para o disparo do SCR. Isso pode ser calculado facilmente pela lei de ohm.

R = V/I

R = 0,6/Z

R = 0,3 ohms

O valor comercial de resistor mais próximo é de 0,33 ohms (podemos ainda ligar 3 resistores de 1 ohm em paralelo para obter este valor em caso de dificuldade de obtenção de componente único).

No entanto, os SCRs encontrados no comércio podem ter tensões de disparo entre 0,4 e 1 V o que pode exigir a adequação do valor, através de experiências.

Um resistor inicial de 0,33 ohms pode ser usado com possíveis ligações de valores pouco mais alto em série e em paralelo até se obter o ponto de disparo.

Uma proteção alternativa mais simples é mostrada na figura 2 e consiste no princípio de crowbar.

Figura 2 – Proteção Crowbar

O disparo do SCR põe em curto a saída da fonte provocando assim a queima do fusível de proteção. Neste caso, para que a fonte seja rearmada é preciso trocar o fusível. Para uma fonte de laboratório, o uso do relé torna-se mais prático, evidentemente.

A monitoração da tensão de saída é feita através de um voltímetro. Para este indicador existem alternativas que podem ser estudadas em função da disponibilidade de recursos do montador.

Uma fonte profissional mais elaborada pode fazer uso de um miliamperímetro de bobina móvel 0-1 mA com um resistor e um trimpot de ajuste conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Ligação de um instrumento

O trimpot será ajustado para que tenhamos um fundo de escala de 12 V, formando assim o instrumento em voltímetro. Com a multiplicação por 5 dos valores dos componentes usados podemos usar um microamperímetro de baixo custo, do tipo usado como VU-meter em amplificadores na mesma função.

Finalmente, com um custo muito menor pode ser usado um voltímetro de ferro móvel de O-15 V se bem que a precisão deste instrumento deixa algo a desejar sendo, pois indicado apenas para aplicações menos críticas como, por exemplo, na bancada de um amador ou estudante.

E claro que também pode ser prevista a ligação do próprio multímetro na saída para se fazer o ajuste da tensão e depois utilizar o instrumento de outra forma.

MONTAGEM

Na figura 4 temos o diagrama completo da nossa fonte de alimentação.

Figura 4 – Diagrama completo da fonte de alimentação

Na figura 5 temos a disposição dos componentes tendo por base uma placa de circuito impresso.

Figura 5 – Sugestão de placa de circuito impresso

Observe que o 2N3055 deve ser montado num bom radiador de calor e que este radiador, preferivelmente deve ficar fora da caixa usada para o aparelho. Use um radiador do tipo que possa ser fixado na parte posterior da caixa, conforme mostra a figura 5.

O LED 1 é vermelho, indicando a condição de curto, enquanto que o LED 2 é verde, indicando o funcionamento normal da fonte.

S1 é um interruptor simples que controla a alimentação da fonte (liga e desliga) enquanto que S2 comuta a tensão de entrada, caso o transformador usado tenha primários de 110 V e 220 V com derivação.

Para primários do tipo de dois enrolamentos independentes que são ligados em série e em paralelo deve ser usado outro tipo de chave para comutação de tensão.

O interruptor S3 é de pressão sendo montado junto ao LED vermelho. Este interruptor serve para rearmar a fonte após um curto circuito.

O transformador deve ter secundário de 15 + 15 V ou mesmo 18 +18 V com correntes de 2 A, enquanto que o relé é do tipo G1RC2 de baixo custo para 12 V lembrando que temos uma queda de tensão da ordem de 2 V no SCR no disparo.

Para um transformador de 18 V em série com a bobina do relé deve-se colocar um resistor de 22 ohms x 12 W para evitar uma tensão excessiva na condição de disparo.

Os resistores são todos de 1/8 ou 1/4 W exceto R2 que deve ser de 2 W, eventualmente de fio. P1 é um, potenciômetro linear e os diodos são todos 1N4002 ou equivalentes.

Observamos que apesar da fonte ser de 2 A no máximo e a corrente máxima dos diodos ser de 1 A, como se trata de fonte em que os diodos conduzem apenas metade dos ciclos, a corrente média máxima dos diodos sob a carga de 2 A é de apenas 1 A.

O eletrolítico C1 deve ter urna tensão de trabalho de pelo menos 35 V enquanto que os demais são para 16 V ou mais.

O SCR é o TlC106 podendo ser empregado o tipo de tensão mais baixa da série que é de 50 V. Não será necessário usar radiador de calor para este componente.

O fusível F1 é de 1 A e protege o sistema em caso de curto-circuito em elementos situados antes do sistema de proteção, ou seja, na própria fonte.

A saída pode ser feita por meio de bornes preto e vermelho e o zener é de 400 mW. Na verdade, a tensão máxima de saída será da ordem de 18 - 1,2 V o que nos leva a 16,8 V, mas devem ser consideradas pequenas variações no próprio circuito e tolerâncias já citadas.

PROVA E USO

Para provar basta ligar a fonte e na saída um multímetro comum na escala apropriada de tensões. Verifique o ajuste de P1 se é obtida a tensão máxima prevista e também o eventual ajuste do instrumento indicador se for usado um miliamperímetro.

Coloque na saída uma carga que proporcione uma corrente de 2 A com tensão de 12 V, ou seja, um resistor de aproximadamente 5,6 ohms x 5 W de fio.

Vá elevando gradualmente a tensão através do potenciômetro P1.

Perto do valor esperado deve ocorrer o disparo do SCR com o travamento do relé e acendimento do LED 1 indicador (vermelho).

Neste instante a tensão de saída cai a zero. Verifique o nível de tensão no resistor em que ocorre o disparo. Se estiver muito abaixo dos 12 V esperados, então a proteção estará ocorrendo com uma corrente menor.

Neste caso você deve reduzir R2. Para isso ligue resistores de 1 ohm x 1 W em t paralelo, até obter o disparo no ponto desejado. Se o disparo ocorrer com uma tensão acima dos 12 V, então será preciso usar um valor maior para R2.

Experimente 0,39 ohms.

Comprovado o funcionamento lembre-se das seguintes regras para operação da fonte:

Ajuste a tensão de saída com a carga desligada, nunca com a carga ligada a saída.

Se houver desarme em caso de curto, antes desfaça o curto ou procure sua origem para eliminação, pra depois pressionar S3 levando o circuito ao rearme.

Não utilize a fonte em cargas com mais de 2 A.

Não alimente mais de um aparelho com a fonte a não ser que o leitor tenha-certeza que a soma das correntes não supere os 2 A e que os dois possam operar com a mesma tensão. I