eletrônica aplicada - elt 7 fonte de alimenta??o

eletrônica aplicada - elt 7 fonte de alimenta??o

(Parte 1 de 2)

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ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA _ ANO _

Qualquer gerador de tensão pode ser considerado uma fonte de tensão, porém, nossa análise será baseada unicamente nos circuitos eletrônicos com finalidade de converter uma tensão AC, normalmente fornecida pela companhia de energia elétrica local, numa fonte de alimentação DC, para alimentar equipamentos ou circuitos eletrônicos.

conversor ac/dc tensãoac tensão dc

Nesta fase do curso iremos analisar os conversores AC/DC que irão formar as fontes de alimentações monofásicas e lineares, pois as fontes chaveadas, que são circuitos mais modernos serão analisadas em outra oportunidade.

As fontes lineares pode ser uma forma prática e simples para alimentar pequenos circuitos e equipamentos e podem se tornar interessantes soluções para os serviços práticos de automação e controle.

Vdc pulsativaVac Vac

Vdc ondulante Vdc carga a ser alimentada

VacÆ É normalmente a tensão fornecida pela companhia de energia elétrica do local. Esta tensão é normalmente alternada senoidal de 127Vac ou 220Vac e no Brasil será sempre de 60Hz.

TransformadorÆ Poderá ou não existir nas fontes de alimentações lineares, sendo sua finalidade a de elevar, abaixar ou isolar a tensão fornecida.

RetificadorÆ transforma o sinal alternado senoidal numa tensão contínua pulsativa de meia onda ou onda completa conforme o tipo do retificador utilizado.

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ELIÉSIO 2

Filtro capacitivoÆ Existe diversos tipos de filtros utilizados em fonte de alimentação, porém, nesta fase do curso iremos analisar somente o filtro capacitivo por ser o mais simples e o mais utilizado em pequenas fontes. O filtro tem a finalidade de eliminar a componente AC tornando o sinal ondulante.

ReguladorÆTem como objetivo reduzir a ondulação na saída do filtro e com isto aplicar a carga uma tensão DC praticamente constante.

Os equipamentos eletrônicos são normalmente alimentados, com tensão e corrente alternada senoidal, fornecida pela companhia de energia elétrica, já que é a forma de onda natural apresentada por um movimento circular contínuo.

Y W
M

Considerando o círculo trigonométrico da figura e seja α a menor determinação do ângulo A O M.

─ x0 P x a
─y0º 90º 180º 270º 360º 450º 540º 630º 720º 810º
Do triânguloÆPM0 temosseno a= cateto oposto / hipotenusa

EntãoÆM MPseno 0

O sinal senoidal pode ser representado matematicamente por:

θ X 0º 0 30º 0,5Xp 45º 0,707Xp 60º 0,866Xp 90º Xp

Em eletrônica, utilizam-se basicamente funções no domínio angular e temporal.

Onde XÆvalor instantâneo da senoide XpÆvalor de pico da senoide X YÆdomínio da função Y

Ânguloseno
0
90º1
180º0
270º─1

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ELIÉSIO 3

SISTEMA SEXAGESIMAL⇒ UNIDADE GRAU ( º
B O grau é o ângulo central ou correspondente do arco da
1º circunferência cujo comprimento equivale a 1/360 do
A comprimento da circunferência.
0 Por definição, o ângulo central A Ô B mede 1º (um grau).
Como submúltiplo do grau ( º ) temos o minuto ( ’ ) e o
segundo ( ” )
1º = 60’e 1’ = 60”
SISTEMA CIRCULAR⇒ UNIDADE RADIANO (rd)
B O radiano é o ângulo central correspondente do arco da
R circunferência de comprimento igual ao raio.
1rd R
0 A A B = R ⇔ A Ô B = 1 rd
Como o comprimento de uma circunferência é dado por
2 π R, dizemos que a circunferência possui 2 π radianos;
logo:
2π ⇒ 360º ou ainda π ⇒ 180º
TRANSFORMAÇÃO DE SISTEMAS360 2π
( º ) rd

No domínio angular, tem-se Y = θ onde θ é o ângulo e pode ser dado em graus ( º ) ou radianos (rd).

X = Xp sem θ

+Xp
0º 90º 180º 270º 360º θ
0rd π/2rd πrrd 3π/2rd 2πrd

Gráfico da função senoidal no domínio angular. −Xp

1/360 do comprimento da circunferência

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ELIÉSIO 4

No domínio temporal, tem-se Y = Wt, onde “W” é a velocidade angular, dado em radianos por segundo (rd/seg e “t” é o tempo, dado em segundo (seg)

onde: W = 2πf = 2π/T
X = Xp sem WtfÆ frequência do sinal em Hertz (Hz)
T Æ período do sinal em segundos (seg)
+Xp
0 T/4 T/2 3T/4 T

O gráfico da função senoidal no domínio temporal é :

−Xp

VALOR DE PICO (Vp)

É o valor máximo que o sinal pode alcançar. Ele atinge o valor máximo positivo em 90º e o valor máximo negativo em 270º.

Vp = Xp VALOR PICO A PICO (Vpp) É a diferença algébrica entre o valor máximo positivo e o valor máximo negativo.

Representa duas vezes o valor de pico

Vpp = Xmax − Xmin

Vpp = 2 Xp

O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. Isto porque a onda senoidal é simétrica.

Vm = 0

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ELIÉSIO 5

Valor eficaz ou valor RMS (Root Mean Square ou raiz média quadrática) é muito utilizado em eletrônica para representar tensões e correntes, e corresponde à tensão ou corrente contínua que, aplicada a uma resistência, fariam com que, ela dissipasse a mesma potência média caso fosse aplicada uma tensão ou corrente alternada. Para o caso de tensão alternada senoidal teremos:

V = Xpou V = 0,707Xp Quando o valor de tensão ou corrente não for especifica
√ 2(Vm, Vp, Vpp ) será valor eficaz ou valor RMS.
Por tanto o valor nominal de uma tensão ou corrente será
valor eficaz ou RMS.

É um componente com a finalidade de isolar, elevar, ou abaixar a tensão. O transformador é constituído por dois enrolamentos: 9 PrimárioÆ no qual é aplicado a tensão de alimentação; 9 SecundárioÆ no qual é ligado o que se deseja alimentar.

No transformador a tensão no secundário (Vs) e corrente no secundário (Is), estão relacionadas com a tensão no primário (Vp) e corrente no primário (Ip), dependendo do número de espiras no primário(Np) e do número de espiras no secundário (Ns).

n Æ representa a relação do transformador

VP = IS = NP = n VS = IP = NS

PRIMÁRIO SECUNDÁRIO
IP IS
VP NP NS VS

Os transformadores comerciais apresentam outros fatores que influem em suas relações. Como as perdas nas resistências dos enrolamentos I2 R e as perdas no núcleo pelas correntes parasitas.

Porém os fabricantes procuram construir seus transformadores com a menor perda possível. Procurando assim, fazer seus produtos, próximo do ideal.

No transformador ideal as perdas são menores que 10%.

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ELIÉSIO 6

É usado para isolar um circuito do outro. Possui número de espiras do secundário igual ao número de espiras do primário

PRIMÁRIO SECUNDÁRIO NP = NP
IP IS VP = VS
IP = IS
VP NP NS VS

É usado quando é necessário elevar uma tensão. Possui número de espiras do secundário maior que o número de espiras do primário.

PRIMÁRIO SECUNDÁRIO NP < NS
IP IS VP < VS
IP > IS
VP NP NS VS

É usado quando é necessário abaixar uma tensão. Possui número de espiras do secundário menor que o número de espiras do primário.

PRIMÁRIO SECUNDÁRIO NP > NS
IP IS VP > VS
IP < IS

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ELIÉSIO 7

TRANSFORMADOR COM DERIVAÇÃOCENTRAL NO SECUNDÁRIO É usado quando é necessária uma inversão de fase entre as tensões de saída.

VS1
IP
VS1
VS1 = VS2
VP VS
VS2 VS1+VS2=VS
VS2
Os dois sinais possuem mesmo
valor, porém defasados 180º.

O secundário é montado com varias derivações podendo ter números de espiras diferentes e, portanto valores de tensões diferentes.

As tensões nas saídas são retiradas dependendo
VS3 das necessidades do circuito a ser alimentado.
As relações de espiras definirão estes valores.
VP VS2
VS1
VS0

Os secundários são independentes com relações de espiras que iram determinar os valores de tensão na saída de cada enrolamento.

As tensões nas saídas são retiradas de forma
independente com seus valores dependendo
VS1 da relação de espiras com o primário.
VP

VS2

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ELIÉSIO 8

220V O primário pode ser alimentado com 110 V
ou 220 V.
Esta mudança pode ser feita através de chaveamento.
110V
0
110V 110V 110V
220V 110V
110V
110V 110V

Dispositivo de proteção de sobre corrente.

São construídos por condutor feito de material com ponto de fusão bem definido. Este condutor deve fundir-se ao passar uma corrente especificada.

P = I2 R SIMBOLOGIA

Os fusíveis devem ser ligados em série com o circuito a ser alimentado para que possa limitar a corrente.

Os fusíveis devem ser especificados para um valor comercial acima da corrente de pico máxima acrescido de 20% de tolerância devido às perdas no transformador.

Para circuitos onde é esperado um surto rápido de corrente quando é alimentado deve ser utilizado fusível com retardo.

Os fusíveis são especificador pelo valor de corrente máxima que permitem no circuito. Os fusíveis também trazem especificado o valor de tensão máxima que sua estrura suporta quando aberto.

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ELIÉSIO 9

EXEMPLO DE PROTEÇÃO DE CIRCUITO Determine o fusível recomendado para a proteção do circuito abaixo:

ohmsRL 10

Va 127V

Procura um fusível comercial de valor acima mais próximo.

A saída do retificador é uma tensão contínua pulsativa, cuja utilização é limitada devido ao grande ripple apresentado. A maioria dos equipamentos eletrônicos necessita uma tensão de alimentação mais constante. Para isto são utilizados circuitos de filtragem para retirar a ondulação.

saídaentrada

FILTRO INDUTIVO entrada saída nIPISNSNPVS VP===

Para sistemas em que a variação de corrente é muito grande deve ser usado 20% ou até 50%

O capacitor apresenta oposição à variação da tensão.

O filtro capacitivo é usado para circuito com tensão elevada.

O indutor apresenta oposição a variação da corrente.

Obs.: Os indutores nestes circuitos são conhecidos como choque.

O filtro indutivo é utilizado para circuito com corrente elevada.

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ELIÉSIO 10 entrada saída FILTRO LC (CAPACITOR DE ENTRADA) entrada saída FILTRO π INDUTIVO entrada saída FILTRO π RESISTIVO entrada saída

O filtro π indutivo foi muito utilizado no período dos circuitos com válvulas eletrônicas devido a necessidade de grandes correntes, porém, devido ao preço, tamanho e peso são substituídos por filtro πresistivo.

Indicado para corrente alta. Indicado para tensão alta.

A solução para reduzir custo e tamanho é a substituição do choque indutivo por um resistor.

Nos projetos de filtros π resistivo a queda de tensão sobre o resistor deve ser menor que 10% da tensão de saída.

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ELIÉSIO 1

Atualmente, nos projetos de fonte de alimentação são utilizados filtros capacitivos, seguidos de reguladores integrados.

Vp
VDC
0 0 T/2 T

O capacitor se carrega ao valor de pico do primeiro semiciclo do sinal. Quando a tensão de entrada diminui do seu valor de pico, a tensão no capacitor fica de valor maior e o capacitor começa a se descarregar sobre RL. A descarga do capacitor acontece até que o segundo semiciclo de entrada volte a ter tensão ser maior que a tensão no capacitor. A partir deste ponto o capacitor volta a se carregar até o valor da tensão de pico do sinal de entrada

O tempo de carga do capacitor é rápido [τcarga = RC – RÆresistência direta do diodo] em relação ao tempo de descarga [τdescarga = RC – RÆresistência de carga] que é feito sobre a carga que está sendo alimentada.

O valor da ondulação na carga pode ser calculado usando esta relação simplificada, pois na realidade após o valor encontrado, será utilizado um capacitor de valor comercial acima, mais próximo.

CRLf

A geração e distribuição de emergia elétrica é feita normalmente na forma de tensão alternada senoidal, porém, a maioria dos equipamentos eletrônicos necessita de tensão contínua para alimentar seus circuitos.

Os circuitos que transformam tensões alternadas em tensões contínuas são conhecidos como fonte de alimentação ou conversor AC/DC

retificador filtro

O circuito retificado poderá ser de meia onda, onda completa ou ponte. O filtro poderá ser um capacitor, um indutor ou um conjunto deles.

tensão alternada senoidal tensão contínua pulsativa tensão contínua ondulante entrada RL (LOAD)

fÆfrequência da ondulação (em Hertz)

VDCÆtensão média na carga após a filtragem (em Volt) RLÆresistência da carga (em Ohm) CÆcapacitor do filtro (em Farad)

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ELIÉSIO 12

Projetar uma fonte de alimentação com tensão de alimentação de entrada de 127V/60 Hz e tensão na saída de 5 V com ondulação de 10%, para alimentar um circuito que apresenta uma resistência de entrada equivalente de 1KΩ Utilizar o retificador em ponte com filtro capacitivo.

Va 127V

Cálculo do capacitor

FFV vRLF

C ond

Será utilizado um capacitor comercial de valor acima do calculado, pois assim a filtragem será melhor.

Cálculo dos diodos CORRENTE MÉDIA NA CARGA

5=Ω==IL=5mA

mAKV RL VLIL 51 CORRENTE MÉDIA NOS DIODOS

==fIF=2,5mA

VVVv

===+=+=Vp=5,05V

Como a tensão de pico na carga é relativamente baixa, temos que considerar a tensão direta nos diodos [γ]. Para diodo ideal ÎγVVp10f

()VVVpVpSEC45,64,105,57,0205,52][=+=×+=+=γVp[SEC]=6,45V
VRRM > Vp(SEC)VRWM > 6,45 V

O diodo para o projeto deverá terÆCorrente direta [IF>2,5mA]

Tensão reversa[VRRM>6,45V] 1N 4001

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ELIÉSIO 13

Cálculo do transformador TENSÃO NO SECUNDÁRIO

TRANSFORMADOR Î 127V / 4,6V Æ 35mW

1 TRANSFORMADORÆ127V /5 V de 50 mw 1 CAPACITOR ELETROLÍTICOÆ470mF /25V 4 DIODOSÆ1N4001

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ELIÉSIO 14

NOMETURMA _ ANO _

01] O que é um conversor AC/DC?

02] Faça um diagrama em blocos de um conversor AC/DC básico, explicando suas funções.

03] Faça a representação das formas de ondas de tensão nas saídas de cada bloco do conversor AC/DC.

04] O que é um sinal senoidal?

05] Por que a tensão fornecida pela companhia de energia elétrica é na forma de tensão alternada senoidal?

06] Como é definido matematicamente a função seno de um sinal alternado?

07] Faça a representação da função seno de um sinal alternado.

08] Qual o valor do sinal seno de 0º, 90º, 180º, 270º, 360º. Por quê?

09] Quais os valores que uma tensão alternada senoidal de 100V de pico máximo terá para os ângulos de 0º, 90º, 180º, 270º, 360º, 450º, 540º, 630º,720º?

Faça a representação desta função seno.

10] Quais os sistemas de unidade angular normalmente utilizado?

1] O que é sistema sexagesimal?

Qual sua unidade?

12] O que é sistema circular? Qual sua unidade?

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ELIÉSIO 15

13] Transforme os valores de sistema encontrando o valor de X

14] Faça o gráfico da função seno no domínio angular, onde θsenX20=. Graus Æ marquem os pontos de 0º, 90º, 180º, 270º, 360º.

Radianos Æ marquem os pontos de 0rd, π/2rd, πrd, 3π/2rd,2πrd.

15] O que representa uma função seno no domínio do tempo?

16] Como é definido matematicamente a função seno no domínio do tempo?

17] O que é velocidade angular? 18} O que é frequência de um sinal alternado?

19} O que é período de um sinal alternado?

20] Faça a representação da função seno no domínio temporal marcando os pontos de: 0T, T/4, T/2, 3T/4, T.

co-seno no domínio temporal marcando os pontos de: 0T, T/4, T/2, 3T/4, T.

21] Sabendo que a função co-seno está defasada da função seno de 90º, faça a representação da função

2] Uma tensão alternada senoidal possui um valor máximo de 100V. Faça sua representação no domínio do tempo para os tempos de: 0T, T/4, T/2, 3T/4, T.

Graus Radianos Graus Radianos

45º X X πrd X 2πrd 180º X

30º X X 3π/2rd

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ELIÉSIO 16

23] O que representa o valor de pico de uma tensão alternada senoidal?

24] O que representa o valor pico a pico de uma tensão alternada senoidal?

25] O que representa o valor médio de uma tensão alternada senoidal?

26] O que representa o valor eficaz de uma tensão alternada senoidal?

27] Analisando uma tensão alternada senoidal de 127V/60Hz, quais os valores de tensão instantâneo encontrados nos pontos de:0º, 30º, 45º, 60º, 90º, 180º, 270º,360º. Valor instantâneoÆθsenVpv×=

28] Faça a representação desta função marcando os pontos encontrados.

127V/60Hz.. Determine:

29] A tensão de alimentação monofásica fornecida pela LIGTH na cidade do Rio de janeiro é de a] tensão de picoÆ b] tensão pio a picoÆ c] tensão médiaÆ d] tensão eficaz (tensão RMS)Æ e] frequênciaÆ f] período g] gráfico do sinal no domínio do tempoÆ h] gráfico do sinal no domínio do ânguloÆ

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ELIÉSIO 17 i] gráfico do sinal tomando como base a velocidade angularÆ 30] O que é um transformador?

31] O que é enrolamento primário?

32] O que é enrolamento secundário?

(Parte 1 de 2)

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