Fonte de alimentação variável para laboratório

Dotada com um limitador de corrente, permite ajustar qualquer valor de corrente de saída entre 0 e 1,5A.

 

Figura 1 - Esquema das diversas secções da fonte

 

A fonte de alimentação que se descreve nestas páginas é adequada para uma ampla variedade de tarefas. A sua tensão de saída é totalmente variável entre 5V e 24V, e um limitador permite ajustar a corrente máxima de saída entre 0 e 1,5A.

Esta característica tem duas aplicações particulares: uma delas é proteger os circuitos de teste contra eventuais danos provocados por um erro de montagem, e a outra para a carga, a corrente constante, dos acumuladores de NiCd.

As suas aplicações para experimentadores são demasiado numerosas para serem todas enumeradas, mas podem referir-se, por exemplo, as de alimentar motores de modelos, interfaces de computador e robots.

Dois grandes instrumentos de medida indicam, continuamente, a tensão e a corrente que fornece, proporcionando a todo o momento a informação do que está a acontecer.

A flutuação residual e o ruído na saída têm um nível muito baixo e a variação da tensão de saída, em resposta a variações de carga e a flutuações da tensão da rede, é muito pequena.

Naturalmente que uma fonte de alimentação deste tipo não pode ser barata, porque o custo do transformador, da caixa, dos dissipadores de calor e, sobretudo, dos instrumentos de medida é elevado, mas a utilidade do aparelho justifica o custo inicial.

 

Considerações sobre o projecto

Ao projectar uma fonte de alimentação como esta, existem várias opções possíveis.

Existem circuitos integrados reguladores de tensão variável, mas todos têm certas desvantagens. O circuito seleccionado utiliza um simples componente de alta potência para controlar a saída, o qual é controlado por um circuito integrador, de baixa potência, que realiza todo o trabalho "inteligente".

Escolheu-se um MOSFET de potência como elemento de saída porque os semicondutores deste tipo são robustos, isto é, podem suportar, sem problemas, sobretensões e sobrecorrentes, e também porque a sua porta isolada requer uma corrente de excitação muito baixa.

Esta última característica é muito útil porque permite utilizar um único transístor de pequenos sinais, como excitador da etapa de saída.

Para entender como funciona o circuito, as suas diversas secções básicas estão ilustradas em separado, nas figuras 1a e 1d, enquanto que o esquema completo do circuito da fonte de alimentação de saída variável, está representado na figura 2.

 

Figura 2 - Esquema completo da fonte de alimentação regulável

 

 

Tensão de referência

O mais importante para um circuito de controle é algum tipo de referência, a qual se utiliza para ajustar a tensão de saída, pelo que deve ser estável e livre de ruído se se pretender que a saída da fonte seja limpa.

Na figura 1a mostra-se a secção da fonte de referência do circuito, cujo componente principal é o diodo zener DZ3. Adoptou-se um de 5,6V porque é o que tem menos varaiação com a temperatura (menor coeficiente de temperatura). Acima e abaixo desta tensão de zener, a estabilidade não é tão boa.

Para obter o melhor comportamento dum diodo zener, o mais conveniente é alimentá-lo com uma corrente constante. Isto consegue-se de modo muito simples com o IC1D e com as resistências associadas.

Abaixo da tensão de avalanche, existe uma tensão baixa nos terminais de DZ3, pelo que o diodo não conduz e actua como uma resistência de valor muito elevado. A resistência R18, o diodo zener DZ3 e R19 e R20 formam dois divisores de tensão alimentados pela saída de IC1D.

Com tensões baixas, com DZ3 bloqueado, à entrada não inversora (+) fica aplicada a maior parte da tensão de saída de IC1D. Como consequência, a realimentação positiva criada deste modo faz com que a saída de IC1D aumente.

Num determinado momento, a tensão nos terminais de DZ3 chega a 5,6V e o diodo começa a conduzir. A partir daí, a tensão na entrada não inversora mantém-se fixa nos 5,6V.

A saída de IC1D continua a subir até que a entrada inversora, à qual se aplica a tensão que existe no ponto de união de R19 com R20, também chega a 5,6V. Neste momento o circuito estabiliza-se, com a tensão de saída ajustada pela tensão do diodo zener e a relação estabelecida por (R19 + R20)/R20.

Os valores adoptados no circuito proporcionam uma tensão de 10V na saída de IC10. A corrente que circula por DZ3 está fixada pela saída de 10 V e pela tensão de 5,6V nos terminais do zener, o que pressupõe uma tensão de 4,4V na resistência R18, pelo que circulam por ela, 4mA.

O mais importante de todo este comportamento é que todos estes valores estão determinados pelo diodo DZ3. A entrada e a saída da fonte de alimentação não intervêm em absoluto.

A tensão de referência, estável, de IC1D é aplicada aos

dois potenciómetros de controle P1 e P2. A saída de cada um deles é uma tensão que varia entre O e 10V quando cada potenciómetro se roda no sentido dos ponteiros do relógio.

 

Comparador de tensão

A tensão de saída de IC1D é utilizada na etapa seguinte do circuito, o comparador de tensão, que se mostra na figura 1b. Uma parte da tensão de saída da fonte é aplicada à entrada não inversora de IC1C através do divisor de tensão formado por R23 e R24.

A outra entrada de IC1C recebe a tensão de referência ajustada pelo cursor do potenciómetro P2. Os valores das resistências R23 e R24. foram seleccionados de modo que, com 25V de saída da fonte de alimentação, a tensão da sua junção seja de 10V.

 

Sensor de corrente

A resistência R13 da figura 1c está ligada em série com a linha do negativo da fonte de alimentação.

Como toda a corrente de saída circula por esta resistência, produz-se nela uma queda de tensão proporcional à referida corrente. Esta tensão é utilizada por IC1B através de R12 e R14 e é ampliada para produzir uma tensão que varia de 0 a 10V quando a corrente aumenta de 0 a 1,5A.

Com ela é alimentado o instrumento de medida de corrente, que está ligado aos terminais de R15 para dar uma leitura de plena escala 0 a 10V. Também se aplica a um segundo circuito comparador de tensão (IC1A) e compara-se com a tensão do cursor do potenciómetro P1 de ajuste da corrente de saída.

O funcionamento deste circuito é o mesmo para a corrente que o da figura 16 para a tensão. A sua saída aplica-se ao circuito de controle da saída, através do diodo D3 e da resistência R8, assim como o LED indicador de limite de corrente DL1.

Sempre que a corrente de saída tenta superar o valor ajustado com P1, a saída de IC1A aumenta, o diodo DL1 ilumina-se e o circuito de controle de saída actua para reduzir a tensão de ponta do transístor TR2 e manter assim a corrente num valor fixo. Variando a posição de P1 de mínimo para máximo, a corrente de saída da fonte de alimentação pode ajustar-se entre 0 e 1,5A.

 

Controle de saída

O controle de saída da fonte de alimentação corre a cargo do transístor MOSFET de potência TR2, que é excitado por TR1. É do tipo de enriquecimento de canal N, o que significa que a tensão no seu terminal de porta (b) deve ser mais positiva do que a que existe no seu terminal de fonte (f) para que seja condutor.

Para este circuito particular, a tensão mínima necessária para que comece a conduzir é de 3V. Com a saída máxima, a tensão aplicada à porta do transístor TR2 deve poder chegar a 25+9V.

Esta tensão é fornecida, através de R2, pela alimentação regulada obtida dum diodo zener de 40V, proveniente do transformador mediante um circuito duplicador de tensão, necessário porque a tensão de saída rectificada do transformador, disponível nos terminais de C2, é apenas de

30V a plena carga. O transistor de excitação TR1 controla a tensão de porta através de R3.

Quando a base de TR1 se torna positiva, o transístor entra em condução, pelo que a tensão na porta de TR2 se reduz e diminui a tensão de saída.

Os sinais de saída dos circuitos sensores de tensão e de corrente aplicam-se à base de TR1, pelo que este último controla a saída da fonte de alimentação.

O diodo D3 está intercalado no circuito de controle de corrente, pelo que impede qualquer interacção entre este circuito e o circuito de controle de tensão quando a corrente de saída se mantém abaixo do ajuste do limite do circuito.

Quando o circuito está no modo de limite de corrente, D3 conduz e o controle de corrente substitui o controle de tensão. Até aqui, todos os pormenores do circuito foram explicados individualmente.

Na figura 2 mostram-se todas as secções em conjunto, com alguns componentes adicionais (imprescindíveis) tais como, fusíveis, transformador da rede, condensadores de filtro e os diodos zener reguladores de tensão.

A tensão da rede aplicada ao transformador T 1 passa pelo interruptor da alimentação S1 e o fusível de 1A, F1. A maioria dos transformadores estão bobinados com dois secundários iguais, que se podem ligar em série ou em paralelo para dispor de duas tensões diferentes.

Pode usar-se no circuito um transformador com dois secundários de 15V ou de 30V. No primeiro caso, ligam-se em série, e no segundo em paralelo.

A partir do secundário do transformador, a corrente passa pelo fusível de 3A, F2, ponte rectificadora PR1 e condensador de filtro C2. Esta é a corrente de alimentação principal, que passa pelo terminal do dreno (d) de TR2 e, do terminal da fonte (f) deste transístor, para a saída da fonte de alimentação. A alimentação para IC1 é extraída do dreno de TR2 através de R5 e regula-se para 15V por intermédio do diodo zener DZ2.

Do transformador T 1 obtém-se uma tensão de alimentação mais alta tomando uma saída adicional de corrente alternada através do condensador C1, rectificada com os diodos D1 e D2, e adicionada ao positivo da alimentação principal.

O resultado é uma tensão de quase 80 V nos terminais do condensador C3, que se reduz a 40V com a resistência R1 e o diodo zener DZ1. Os diodos zener de 40V nem sempre são fáceis de encontrar, pelo que na placa de circuito impresso se previu a possibilidade de utilizar dois diodos zener de 20 V ligados em série.

A tensão de saída é alimentada por intermédio do instrumento de medida de 1mA, ligado como voltímetro de 0a 25V, em série com a resistência R16.

 

Montagem da fonte

Figura 3 - Traçado do circuito impresso

 

Figura 4 - Implantação dos componentes

 

A maioria dos componentes são montados numa placa de circuito impresso de simples face. Na figura 3 mostra-se o traçado das pistas do ircuito impresso e, na figura 4, a implantação dos componentes.

A placa é fixada por intermédio dos dois potenciómetros P1 e P2, que são do tipo de montagem directa na placa. Podem usar-se outros tipos de potenciómetros bobinados para se adaptarem a outra disposição no painel frontal da caixa.

Antes de montar qualquer componente na placa, montam-se e soldam-se os terminais cravados nos pontos aos quais chegam as ligações exteriores. A montagem dos componentes inicia-se com os de baixo perfil tais como, os diodos, as resistências e o suporte para o IC1.

Deve ter-se um cuidado especial com os diodos, identificando cada tipo e a sua polaridade, uma vez que são todos muito parecidos. O transístor TR1 deverá montar-se com a superfície plana orientada como se mostra, e não deverá ser do tipo com o sufixo L, porque têm uma disposição de terminais completamente diferente.

Os condensadores C1 e C3 são polarizados, pelo que se devem montar com a orientação correcta (note-se que se previram dois furos para C3, para ser possível montar dois modelos distintos).

Uma vez terminada a montagem da placa, a face das pistas será inspeccionada para comprovar que não existem soldaduras defeituosas, curto-circuitos entre pistas, etc.

Se tudo estiver correcto, a etapa seguinte será a cablagem dos componentes externos.

Na figura 5 mostram-se todas as ligações exteriores da placa.

Deve ter-se muito cuidado em isolar todas as uniões de fios de ligação com um bom comprimento de manga isolante e em procurar que todas as ligações estejam bem feitas mecanicamente antes de serem soldadas.

Para fixar o cabo da rede utilizar-se-á um retentor adequado para impedir que um esticão involuntário o arranque do interior da caixa. Junto da entrada do cabo será conveniente fixar também uma braçadeira para manter o cabo em posição.

A ligação de terra da rede faz-se com um terminal de soldadura fixado no fundo da caixa e que se leva também ao terminal verde do painel frontal para dispor duma ligação de terra.

O resto da cablagem é simples, mas as ligações entre o transformador, o rectificador, o condensador C2, o transistor TR2 e os terminais de saída devem fazer-se exactamente tal como se indica na figura 5 para manter, num nível mínimo, as correntes da flutuação residual.

Por alguns fios de ligação circula toda a corrente de carga e deverão ser mais grossos do que os restantes. Na figura 5, estes fios de ligação assinalados com um círculo e o número 16, para lembrar que deve ter, pelo menos, 16 fios de 0,2mm de diâmetro. As restantes ligações podem fazer-se com fio de 7/0,2.

As ligações à porta e à fonte de TR2 devem ser entrançadas. Ao montar TR2 no dissipador de calor, é necessário utilizar massa de silicone em ambos os lados do anel isolante para assegurar uma boa transferência de calor.

Figura 5 - Pormenores da cablagem entre a placa do circuito impresso e os componentes montados na caixa

 

Comprovação do funcionamento

Começar a comprovação pela cablagem, para verificar que toda a parte referente à rede está bem isolada, e ligar a fonte. Se não se fundir nenhum fusível, é muito provável que funcione correctamente.

Ajustar o cursor de P1 para metade do seu curso e rodar P2, comprovando que a leitura do voltímetro varie em consonância. Se assim não acontecer, deverão comprovar-se algumas tensões do circuito.

Nos terminais de C2 deverá haver 40V e, nos terminais de C3, 80V. Se estas tensões não forem correctas, comprovar a tensão nos terminais dos diodos zener DZ1 e DZ2, que deverão ser de 40V e 15V, respectivamente.

Se alguma delas for baixa, é provável que se tenham montado invertidos ou que IC1 esteja montado ao contrário (como se trata de circuitos de alimentação normais, será muito simples localizar as anomalias ou erros existentes neles).

A seguir comprova-se a tensão nos terminais do diodo zener DZ3, que deverá ser de 5,6V, e a seguir a tensão da saída de IC1D (terminal 7), que deverá ser de 10V. Se todas estas medidas derem valores correctos e a fonte não funcionar, pode ser que TR1 esteja deficiente.

Comprovar as tensões da base e do colector de TR1. Se a tensão da base for inferior a 0,6V, a do colector deverá ser alta. Não é provável que TR2 esteja deficiente, mas se estiver, o dreno e a porta terão uma tensão alta e na fonte será muito baixa ou nula.

 

Funcionamento da fonte

Uma vez o controle da tensão funcionando correctamente, ligar uma carga (uma resistência de 100Ω) aos terminais de saída e comprovar que a leitura da corrente contínua aumenta com a tensão. A 25V, para uma resistência de 100Ω deve circular uma corrente de 25mA.

A seguir, reduzir o ajuste do limite de corrente de modo a que a corrente diminua, e

comprovar que a tensão também baixou. O LED indicador do limite de corrente deverá iluminar-se no ponto em que a corrente começa a diminuir. Reduzindo o ajuste da tensão, o circuito voltará a controlar a tensão ao apagar-se o LED.

Ao comprovar um circuito novo ou suspeito, utilizar os controles de limite de corrente e de tensão para impedir que consuma uma potência excessiva no caso de ter algum defeito.

Começar com os controles a zero e aumentá-los gradualmente até alcançar a corrente de trabalho esperada do circuito, se se avançarem um pouco mais e a corrente não aumentar, significa que o circuito alimentado funciona correctamente. Porém, se o fizer acima do nível esperado, é provável que se tenha de procurar uma avaria.

Para recarregar os acumuladores de NiCd, ajustar a tensão para o dobro da tensão

dos acumuladores e a corrente de carga com o controle do limite de corrente. É extremamente importante recordar que se tem de desligar os acumuladores ao terminar o tempo de carga correcto, especialmente se se carregarem a grande velocidade, caso contrário podem danificar-se e até explodir.

Nalgumas circunstâncias, o dissipador de calor pode chegar a aquecer muito. Isto acontece quando se fornecem correntes elevadas a tensões baixas. Neste caso, circula por TR2 uma corrente elevada e produz-se nele a maior parte da queda de tensão.

A 2A e 25V, a potência dissipada em TR2 pode ser de 50W. Basta pensar numa lâmpada de 60W, para se ter uma ideia da dissipação de calor de TR2. Para uma duração moderada deste regime, esta potência pode tolerar-se, mas não é recomendável um uso prolongado.

Quando se usam a corrente e a tensão máximas, produz-se em TR2 uma queda de tensão muito pequena. Para níveis moderados de corrente de saída, a potência dissipada divide-se entre a carga e o transístor de potência, o que gera uma quantidade de calor moderada.

Em geral, se se prevê que a fonte tem de funcionar com correntes elevadas a tensões baixas, deverá utilizar-se um dissipador de calor de maiores dimensões.

 

Lista de material

Resistências

Salvo indicação, todas de 1/4W 5%

 

Condensadores

 

Semicondutores

 

Diversos

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