Eis aqui um instrumento de bancada que o estudante, técnico ou hobista não pode prescindir. Trata-se de duas fontes de tensões contínuas e estabilizadas numa única montagem, extremamente versátil e com um circuito bastante didático. Uma das fontes é de tensão fixa (5V x 1A) compatível com as famílias S, LS e TTL; a outra é de tensão ajustável entre 3 e 18V, com capacidade de drenar até 1,5A. Ao todo são mais de 30W de potência para alimentar os mais variados tipos de circuitos eletrônicos, desde os mais simples até os mais sofisticados circuitos digitais.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 194 de 1989
Aprender fazendo! Talvez seja esta a forma mais inteligente de adquirirmos formação num estudo ou profissão. Mas, "fazer entendendo!", é sem dúvida a fórmula mais segura de aquisição do conhecimento.
Nosso projeto não tem a pretensão de esgotar
o inesgotável assunto sobre fontes de alimentação, mas sim oferecer algumas "ferramentas" básicas para quem deseja construir uma boa e versátil fonte de alimentação em DC.
Existe uma enormidade de circuitos para fontes de alimentação em DC, que vão desde os mais simples, que não utilizam nem sequer um transformador, até os mais bem elaborados, que apresentam regulação de tensão e corrente, sem contar os circuitos extremamente complexos das fontes chaveadas.
O uso deste ou daquele tipo de fonte depende basicamente do tipo de circuito que devemos alimentar, o qual determina o nível de tensão e corrente necessário.
A qualidade de uma fonte não está na sua capacidade de fornecer altas tensões ou correntes, mas sim em suas características elétricas como: ripple, regulação de carga, regulação de linha e rendimento. Assim, conclui-se que a "chave" para a construção de uma fonte de boa qualidade está no circuito regulador. Este por sua vez pode ser construído com circuitos que levam apenas componentes discretos, como transistores, capacitores, resistores e diodos, ou com os mais modernos chips, como os amplificadores operacionais, os comparadores de tensões e os reguladores de voltagem.
Genericamente uma fonte de tensão contínua deve ter um estágio transformador de potência, um estágio retificador e um filtro, conforme mostra a figura 1. Entretanto, fontes assim não apresentam nenhum tipo de estabilização ou regulação e sempre que a elas ligamos uma resistência de carga de baixo valor, passam a apresentar significativas quedas de tensão e alto nível de ondulação. Surge então a necessidade da regulação e estabilização dessa tensão, que vem solucionar as referidas limitações.
A fonte que propomos apresenta um circuito bastante simples. Fazendo uso de componentes discretos, na sua quase totalidade, apresenta boa qualidade de regulação, como se pode constatar através de suas características.
CARACTERÍSTICAS
- Tensão de entrada: 110/220V
- 60Hz - Tensão de saída fixa: 5V
- Tensão de saída ajustável: 3 a 18V
- Corrente de saída fixa: 1A
- Corrente de saída ajustável: 1,5A
- Regulação de carga: 500mV
- Regulação de linha: 200mV
- Ripple: menor que 35mVpp
- Potência total: maior que 30W
- Regulação da fonte fixa por circuito integrado: 7805
- Regulação da fonte ajustável por transistor em configuração Darlington, diodo zener e amplificador de erro
- Proteção contra sobrecarga por transistores complementares em configuração de SCR.
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Para o projeto de uma fonte de tensão contínua e estabilizada devemos considerar, em linhas gerais, os seguintes blocos: o circuito transformador de potência, o circuito retificador de onda completa, o filtro e o circuito regulador de tensão, conforme mostra a figura 2. Cada etapa dá um tratamento específico à onda, a fim de que possamos ter na saída uma tensão contínua e estabilizada com ripple desprezível, independentemente da corrente elétrica fornecida pela fonte.
O circuito transformador de potência tem por base um transformador que reduz a tensão da rede de 110V AC ou 220V AC para o nível desejado. Talvez este bloco seja o mais limitante para o bom desempenho da fonte, pois o mal dimensionamento dos enrolamentos, primário e secundário do transformador, implica no seu rendimento e, dessa forma, no restante do circuito.
O circuito retificador de onda completa deve ser montado de acordo com o enrolamento secundário do transformador, podendo ser construído de duas maneiras: por dois diodos retificadores, quando o transformador possui tomada central (center-tap) ou por quatro diodos retificadores numa configuração denominada de Ponte de Graetz, conforme mostra a figura 3. A tensão de saída do retificador, apesar de não mais apresentar os semiciclos negativos, não deve ser considerada ainda como contínua e sim de uma forma denominada pulsante. O uso de um filtro capacitivo de alto vaiar transforma essa tensão pulsante em contínua, reduzindo sensivelmente o nível de ondulação a um valor mínimo quase que desprezível (ripple). Se nesta fase do projeto colocarmos um resistor de carga (RL) de baixo valor ôhmico, haverá um aumento na corrente elétrica fornecida pela fonte, com consequente queda da tensão contínua de saída (VS), e o ripple bastante aumentado. Isto deve ser interpretado como uma evidência clara de que a fonte apresenta uma tensão não estabilizada.
A estabilização fica então a cargo do regulador de tensão, que reduz a níveis aceitáveis a queda de tensão e a ondulação de saída. Esse regulador de tensão pode ser construído basicamente de dois modos: com circuitos integrados reguladores de voltagem, como o LM317, a série 7800, o µA723, o 550 etc, ou com componentes discretos.
Para tornar o nosso projeto bastante didático, optamos por estes últimos, com algumas modificações que nos pareceu bastante interessantes do ponto de vista de regulação e proteção para o circuito, assim como também o tornou bastante versátil para quem muitas vezes necessita ao mesmo tempo de uma tensão fixa de nível TTL e outra ajustável. A figura 4 mostra o circuito em blocos que passamos a descrever.
O CIRCUITO
O circuito transformador de potência foi construído em torno de um transformador com entrada 110/220V e saída 12+12V x 3A. Após esta etapa, a associação de quatro diodos (D1 a D4) em ponte transforma os 24V AC em tensão DC com uma forma de onda pulsante, conforme mostra a figura 5. Segue-se à retificação uma etapa de filtragem, que é constituída por um capacitor de grande valor (2200p.F) com tensão de trabalho de pelo menos 40V, pois a retificação e filtragem eleva a tensão eficaz (Vef) para a tensão máxima (Vmáx), cerca de 34V. Neste ponto podemos considerar que a tensão já é contínua, com baixo fator de ripple, embora não estabilizada.
Em continuidade a essa fonte de tensão contínua observa-se duas etapas de regulação de tensão. A primeira, mais simples, para a fonte de tensão fixa de nível TTL (5V), e a segunda, mais elaborada, para a fonte de tensão ajustável. O circuito regulador para a primeira é construído em torno de Q6, numa configuração do tipo regulador série, que além de estabilizar a tensão, ainda tem por finalidade especial o abaixamento da tensão inicial para poder alimentar a entrada do integrado 7805, cuja Vi (máx) = 27V. O resistor R6 polariza o zener D6 e a base desse transistor de modo a obtermos em sua saída uma tensão pouco superior a 18V.
Para proteger o 7805 de sobrecarga, caso ocorra um curto no circuito alimentado ou no transistor de saída, acrescentamos um circuito de proteção constituído pelo resistor R7 e o transistor Q7. Esse resistor funciona como um sensor de corrente e polarizará a base de Q7 caso haja uma demanda de corrente superior a 1A. Com a polarização de 07 teremos uma redução na corrente de base de Q6 e consequentemente uma redução no VCE, o que limitará sua potência. Desse modo, além da proteção para o 7805, temos uma proteção para Q6 e também para o transformador. O capacitar C4 filtra a saída do integrado 7805, suprimindo ruídos comuns do circuito geral.
Na estabilização da fonte ajustável utilizamos também um circuito regulador do tipo série construído em torno dos transistores 01 e Q2 em configuração Darlington. A vantagem dessa configuração é o elevado ganho dinâmico de corrente, o que permite sensível redução na corrente de polarização da associação e consequentemente uma diminuição na potência total consumida pelo circuito. O resistor R2 polariza a base de 02 e funciona como resistor de coletor do transistor 03, o qual, juntamente com P1, P2 e R5, forma um amplificador de erro. O zener D5, polarizado por R3 e ligado ao emissor de Q3, estabelece uma tensão de referência para o circuito regulador.
Um amplificador de erro funciona basicamente como um comparador de tensões. Sua função é comparar uma amostra da tensão de saída retirada do divisar de tensão de base do transistor com a tensão de referência VZ.
Caso ocorra alguma variação na tensão de saída em relação à tensão de referência, o comparador detecta essa diferença (erro) e aplica na base do transistor de saída uma tensão de correção, a qual modificará o valor VCE do elemento regulador, de modo a corrigir a tensão de saída (VS), mantendo-a sempre constante e estabilizada. De outro modo, podemos dizer que para qualquer variação na tensão de saída o amplificador de erro realimenta o circuito de polarização de base da associação Darlington, aumentando ou diminuindo a resistência dessa associação. Assim, se o valor comparado entre as tensões de saída e referência forem constantes, isto é, se não houver diferença, o amplificador de erro não altera o VCE do elemento regulador, e a tensão de saída (Vs) permanece constante.
O ajuste da tensão de saída é obtido pela variação da polarização de base do transistor Q3, quando atuamos sobre o potenciômetro P1. A faixa de variação para essa tensão vai de 3V tensão de referência) até 18V para que se possa obter uma boa regulação de carga e de linha. Entretanto, tensões superiores a 18V, até próximo de 30V, pode-se obter pela regulagem do trimpot P2, que modifica o valor da tensão de base (VBE) do transistor Q3. Nesse caso parâmetros característicos da fonte ficam demasiadamente prejudicados.
O resistor R4, do mesmo modo que R7, funciona como um sensor de corrente para atuar na polarização de base do transistor Q5, que juntamente com Q4 forma uma configuração do tipo SCR, onde a base de Q5 é o gatilho (gate). Sendo 0,5V a tensão VBE para início de condução do transistor Q5, quando a corrente de saída (Is) for aproximadamente superior a 1,5A, este conduzirá. Ao conduzir, acorrente de coletor aumenta e sendo igual à corrente de base de C4 este também conduzirá. Sendo a tensão emissor-coletor (VEC) de 04 igual à soma das tensões base-emissor (VBE) dos transistores Q1 e Q2 e a corrente do emissor de Q4 elevada, o Darlington atingirá o estado de corte. Dessa forma a tensão VCE do transistor 01 será praticamente igual à tensão de entrada do regulador, resultando numa tensão de saída (VS) praticamente nula.
O capacitor C3 realiza a filtragem final e ajuda na redução do ripple.
M1 é um miliamperímetro de 200 µA que ligado em paralelo com a saída da fonte funciona como voltímetro. O resistor R8 limita a corrente máxima para M1 e o trimpot P3 serve para ajustar o fundo de escala do instrumento.
MONTAGEM
Para maior clareza descrevemos a montagem em três etapas. A primeira, refere-se à placa de circuito impresso, na qual os componentes devem ser dispostos de acordo com o esquema da figura 6. A placa pode ser confeccionada em fenolite ou fibra de vidro e após a montagem deverá ser envernizada em sua face cobreada para evitar oxidação das pistas e ilhas. A soldagem deve ser feita com solda de boa qualidade. Recomenda-se o uso de ligas contendo 63% de estanho e 37% de chumbo que formam uma combinação eutética com ponto de fusão em 183°C. O baixo ponto de fusão dessas ligas permite que a solda derreta numa temperatura tal que não sanifique as junções dos semicondutores, que geralmente é de 150°C. Temperaturas em torno de 200°C são ideais para soldagem destas ligas e os soldadores para esse uso devem ter potência entre 20 e 30W.
A segunda etapa é a montagem dos dissipadores para os 2N3055 e 7805. Recomenda-se o uso de mica como isolante elétrico, pasta térmica entre o transistor e o dissipador para facilitar a propagação do calor e o uso de buchas para isolar os terminais do transistor. Na lista de material damos as dimensões aproximadas para os dissipadores.
A terceira e última etapa é a montagem da fonte na caixa. Esta deve ser de preferência metálica com dimensões de 20x7x18cm. Antes de efetuar as furações, recomendamos realizar estudo prévio sobre a melhor forma de distribuir a placa de circuito impresso e o transformador no interior da caixa, em relação aos pontos de entradas e saídas de acessórios e instrumento (VU-meter).
Para o mostrador de M1, sugerimos que seja feita uma escala para as tensões mais comumente usadas. Em nosso projeto usamos um VU-meter de boa qualidade, com mostrador medindo 5x3cm, para o qual fizemos uma escala conforme se vê na figura 7. Devemos ressaltar, entretanto, que estes instrumentos apresentam às vezes variações de linearidade, bem como diferentes graus de precisão, de uma marca para outra.
Para o montador mais exigente, sugerimos substituir o VU-meter por um miliamperímetro de 0-1mA, lembrando neste caso que R8 deve ter seu valor reduzido para 22k e que estes instrumentos são bem mais caros.
Finalmente recomendamos que todos os componentes sejam testados antes da montagem, especialmente os semicondutores.
AJUSTE, PROVA E USO
Após a montagem, apenas P2 e P3 devem ser ajustados. Para o ajuste de P2, que definirá o nível máximo de tensão (fundo de escala) é conveniente deixá-lo em meio curso antes de ligar a fonte na rede. Com um voltímetro ligado aos bornes VCC e GND, e P1 totalmente aberto, girar cuidadosamente P2 para a direita até o ajuste de 18V. Tensões maiores também podem ser obtidas, mas como já dissemos, com prejuízos nos fatores de qualidade. Girando-se agora P1 totalmente para a esquerda, deveremos obter a tensão mínima que é 3V. Se casualmente os valores de fundo de escala não forem obtidos, verifique se o zener Dl não está em curto.
Para ajustar P3, é necessário que o VU-meter já esteja ligado. Proceda então ao ajuste, conectando novamente um voltímetro nos bornes VCC e GND e, atuando sobre P1, regule a fonte para 9V. Atuando sobre P3, deixe que o ponteiro do VU-meter fique no centro (90°) e finalmente confira os dois extremos variando P1.
Depois de realizados esses ajustes é interessante verificar se a proteção contra sobrecarga está perfeita. Para a fonte ajustável necessitamos ligar um multímetro na escala DC A (5 ou 10A) em série com um resistor de fio de 1 R2 x 5W entre os bornes VCC e G ND, sob tensão mínima (3V). A leitura não deverá ser muito superior a 1,5A. Caso isso ocorra, verifique se Q4 e 05 não se encontram abertos. Do mesmo modo, teste a proteção da fonte fixa (5V), mas agora usando um resistor de fio de 4R7 x 5W entre os bornes + 5V e GND. Neste caso a leitura não deverá ser superior a 1A. Caso isso ocorra, verifique se Q7 não se encontra em curto. Uma forma mais técnica e precisa para realizar esses testes é usar uma carga resistiva dinâmica como a que publicamos em artigo anterior. Por último, se após a montagem não houver tensão entre os bornes de ambas as fontes, verifique os transistores Q1 e Q6, se não se encontram abertos, e ainda se o 7805 está em perfeitas condições de uso.
O uso de uma fonte não tem segredos, mas para maior durabilidade é interessante não curto circuitá-la por longos períodos ou sob tensões elevadas.
