Fonte Linear Estabilizada

Lab5 – Fonte Linear Estabilizada

Marcelo Dreyer Paulino, Thomas Gabriel Walger Diaz

Centro Tecnológico Positivo
Laboratório de Eletrônica Analógica
Rua: Senador Accioly Filho, Nr 511, Campus CIC
Curitiba/PR, Brasil, 81310-000

Resumo – este trabalho apresenta as experiências em laboratório sobre fonte linear estabilizada. Será relatado no fundamento teórico as pesquisas relacionadas a filtros capacitivos, diodos zener e fontes de alimentação reguladas e no desenvolvimento todas as medições e observações em bancada assim como a forma de onda em cada experimento.

I. Introdução

        Neste trabalho será relatado sobre as experiências Lab5 que consiste na Fonte Linear Estabilizada. Nas experiências, será relatado sobre o comportamento diodo zener, sua função no circuito da fonte bem como os cálculos para definir os componentes que fazem parte do circuito.

        O Diodo Zener é o elemento principal dos reguladores de tensão, circuitos que mantêm a tensão na carga quase constante, independentemente da alta variação de tensão de linha e na resistência da carga, ele é um diodo de silício otimizado para operar na região de ruptura, por isso algumas vezes ele é conhecido como diodo de ruptura. [1].

        As experiências foram realizadas em bancada no laboratório de eletrônica analógica e utilizados multímetros digitais e osciloscópio digital e todas as medições serão descritos nesse relatório.

II. Fundamentação Teórica

1. – Filtros Capacitivos

        Capacitores são elementos elétricos capazes de armazenar carga elétrica e, consequentemente, energia potencial elétrica.

        Podem ser esféricos, cilíndricos ou planos, constituindo-se de dois condutores denominados armaduras que, ao serem eletrizados, num processo de indução total, armazenam cargas elétricas de mesmo valor absoluto, porém de sinais contrários. A capacidade eletrostática de um capacitor depende da forma e dimensões de suas armaduras e do dielétrico (material isolante) entre as mesmas.

        A unidade de capacitância, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o Farad (F). O filtro capacitivo tem a finalidade de eliminar a componente AC do circuito, tornando o sinal ondulante.

[pic 1]

Figura 1: Tensão Retificada Sem o Uso do Capacitor.

[pic 2]

Figura 2: Tensão Retificada Com o Uso do Capacitor.

        Ao ligar o circuito, durante o primeiro quarto de ciclo da tensão no secundário, o diodo está diretamente polarizado. Idealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundário ao capacitor, ele carrega até o valor da tensão de pico.

        Logo após o pico positivo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave aberta. Isto devido ao fato de o capacitor ter uma tensão de pico. Como a tensão no secundário é ligeiramente menor que a tensão de pico, o diodo fica reversamente polarizado e não conduz. Com o diodo aberto, o capacitor se descarrega por meio do resistor de carga. A idéia do filtro é a de que o tempo de descarga do capacitor seja muito maior que o período do sinal de entrada. Com isso, o capacitor perderá somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte. O diodo só voltará a conduzir no momento em que a tensão no secundário iniciar a subir e seja igual a tensão no capacitor. Ele conduzirá deste ponto até a tensão no secundário atingir o valor de pico. O intervalo de condução do diodo é chamado de ângulo de condução do diodo. Durante o ângulo de condução do diodo, o capacitor é carregado novamente até a tensão de pico. Nos retificadores sem filtro cada diodo tem um ângulo de condução de 180°.

1. – Diodo Zener

        O diodo zener é um diodo construído especialmente para trabalhar na tensão de ruptura. Na fig. 3 é mostrado a curva característica do diodo zener e sua simbologia.

[pic 3]

Figura 3: Curva Característica do Diodo Zener

        O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente. Mas ao contrário de um diodo convencional, ele suporta tensões reversas próximas a tensão de ruptura. A sua principal aplicação é a de conseguir uma tensão estável (tensão de ruptura). Normalmente ele está polarizado reversamente e em série com um resistor limitador de corrente. Graficamente é possível obter a corrente elétrica sob o zener com o uso de reta de carga.

1. – Fontes de Alimentação Reguladas

        Existem dois tipos básicos de fonte de alimentação: linear e chaveada.

        As fontes de alimentação lineares são alimentadas pela corrente alternada e é reduzida sua tensão e então por um circuito de retificação (composto por uma série de diodos), transformando está tensão alternada em tensão pulsante. O próximo passo é a filtragem, que é feito por um capacitor eletrolítico que transforma esta tensão pulsante em quase contínua. Como a tensão contínua obtida após o capacitor oscila um pouco (esta oscilação é chamada “ripple”), um estágio de regulação de tensão é necessário, feito por um diodo zener (normalmente com a ajuda de um transistor de potência) ou por um circuito integrado regulador de tensão.

        Em fontes de alimentação chaveadas em alta frequência a tensão de entrada tem sua frequência aumentada antes de ir para o transformador (tipicamente na faixa de kHz). Com a frequência da tensão de entrada aumentada, o transformador e os capacitores eletrolíticos podem ser bem menores. Este é o tipo de fonte de alimentação usada nos PCs e em muitos outros equipamentos eletrônicos.

[pic 4]

Figura 4: Exemplo de Fonte Chaveada

III. Desenvolvimento

        Nesse experimento, foi montado o circuito de fonte estabilizada utilizando um diodo zener 1N4733A ligado em paralelo com a carga fazendo a sua função de estabilização de tensão. O diagrama abaixo exemplifica como foi montado esse circuito.

[pic 5]

Figura 5: Diagrama com Zener

        Nesse circuito foi utilizado dois diodos 1N4007 em paralelo e o center tap do transformador como GND para se obter a onda completa. Após isso foi inserido um capacitor C1 que tem a função de filtro capacitivo. O resistor R1 tem a função de limitar a corrente para proteger o Zener já que o mesmo pode suportar 196,07mA e a carga Rc que deve passar uma corrente de no máximo 20mA e protegendo o zener para não queimar por sobrecorrente.        

        Com base nesse circuito, é necessário calcular alguns componentes para que o zener trabalhe conforme foi projetado. Os componentes que necessitam ser calculados é C1, R1 e RC.