Fontes alimentacao

Escola Secundaria com 3o Ciclo do Ensino Basico de

Adolfo Portela, Agueda

Modulo 4 - Apontamentos sobre fontes de alimentacao

Prof. Eduardo Martins

Janeiro de 2010

Conteudo

I Fontes de alimentacao 2

1 Introducao 3

2 Transformador 4

3 Rectificador 4

4 Rectificador de meia onda 4

5 Rectificador de Onda Completa com Derivacao Central 7

5.1 Semiciclo positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.2 Semiciclo negativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6 Retificador de Onda Completa em Ponte 9

6.1 Semiciclo positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6.2 Semiciclo negativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

7 Filtragem 11

7.1 Filtro com condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7.2 Filtro com condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

8 Estabilizador/Regulador de tensao 13

8.1 Tensao positiva 78XX e Tensao negativa 79XX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

9 Exercicios 15

Lista de Figuras

1.1 Diagrama de blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

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Escola Secundaria com 3o Ciclo do EnsinoBasico de Adolfo Portela, Agueda

4.1 rectificador de meia-onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4.2 Rectificacao de meia-onda (semi-ciclo positivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4.3 Esquema equivalente da rectificacao de meia-onda (semi-ciclo positivo) . . . . . . . . . . . . . . . 5

4.4 Rectificacao de meia-onda (semi-ciclo negativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4.5 Esquema equivalente da rectificacao de meia-onda (semi-ciclo negativo) . . . . . . . . . . . . . . 6

4.6 Rorma de onda do rectificador de meia-onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5.1 Rectificador de Onda Completa com Derivacao Central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.2 Circuito equivalente (Semiciclo-positivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.3 Circuito equivalente (Semiciclo-negativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.4 Formas de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6.1 Rectificador de onda completa em ponte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6.2 Rectificador em ponte (semiciclo positivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6.3 Rectificador em ponte (semiciclo negativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6.4 Formas de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7.1 Filtro com um unico condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

7.2 Forma da tensao e saıda de um rectificador de onda completa com condensador . . . . . . . . . . 12

2

Parte I

Fontes de alimentacao

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1 Introducao

A maioria dos equipamentos electronicos sao alimentados com tensao contınua, normalmente de 3V a 30V. Mas

a tensao alternada disponıvel nas tomadas de nossas casas e de 230V. Para transformar a tensao alternada

disponıvel na tomada em tensao contınua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como fonte

de alimentacao. Veja abaixo o diagrama de blocos de uma fonte de alimentacao.

Figura 1.1: Diagrama de blocos

1. Transformador monofasico: A sua funcao e reduzir o nıvel de tensao disponıvel nas tomadas 230V,

para nıveis compatıveis com os equipamentos electronicos.

2. Rectificador: Transforma a tensao alternada (ca) em tensao contınua (cc) pulsante.

3. Filtro: Converte a tensao cc pulsante vinda do rectificador em contınua cc com ondulacao.

4. Estabilizador: Tem a funcao de transformar a tensao cc com ondulacao em tensao cc pura, que e a

tensao utilizada pelos equipamentos electronicos.

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2 Transformador

Na maior parte das fontes de alimentacao, o transformador baixa o nıvel da tensao de entrada para valores

eficazes na faixa de 5V a 24V.

3 Rectificador

O rectificador converte tensao alternada em tensao contınua pulsante. Um rectificador pode ser de meia onda,

onda completa ou em ponte. O dispositivo utilizado nos rectificadores e o dıodo, devido a sua caracterıstica de

conduzir a corrente electrica num unico sentido.

4 Rectificador de meia onda

O nome meia onda deriva do facto de apenas um dos semiciclos da tensao de entrada ser aproveitado. Pode ser

o semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posicao do dıodo. Veja abaixo um circuito rectificador de

meia onda.

Figura 4.1: rectificador de meia-onda

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Nos sabemos que a fonte de tensao alternada nao tem polaridade definida, ou seja, um terminal ora e positivo

ora e negativo. Vamos convencionar que durante o semiciclo positivo, o terminal superior da fonte seja o positivo

e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura abaixo.

Figura 4.2: Rectificacao de meia-onda (semi-ciclo positivo)

Observe que, com esta polaridade da fonte de tensao, o dıodo fica polarizado directamente, pois o positivo

da fonte esta ligado ao anodo, comportando-se o mesmo como um interruptor fechado (conduz). Com o dıodo

em conducao, os terminais da fonte ficam ligados directamente aos terminais da resistencia de carga (RL), isto

significa que a tensao nos terminais da resistencia sera a mesma da fonte, isto e, o semiciclo positivo da tensao

da fonte aparecera nos terminais da resistencia de carga.

Figura 4.3: Esquema equivalente da rectificacao de meia-onda (semi-ciclo positivo)

Quando o semiciclo positivo termina, a tensao da fonte entra no semiciclo negativo, isso provoca uma inversao

na polaridade da fonte, isto e, o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo.

Figura 4.4: Rectificacao de meia-onda (semi-ciclo negativo)

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Esta inversao na polaridade da fonte faz com que o dıodo seja polarizado inversamente no semiciclo negativo,

comportando-se como um interruptor aberto (nao conduz). Como o dıodo esta aberto, nao ha corrente a circular

pela resistencia, isso faz com que a tensao aos seus terminais seja nula durante todo o semiciclo negativo. O

que o dıodo fez na verdade foi deixar passar para a resistencia de carga apenas o semiciclo positivo da tensao

da fonte, bloqueando o semiciclo negativo.

Figura 4.5: Esquema equivalente da rectificacao de meia-onda (semi-ciclo negativo)

Resumindo: Quando a tensao da fonte entra no semiciclo positivo, o dıodo conduz (interruptor fechada)

fazendo com que todo o semiciclo positivo da tensao de entrada apareca nos terminais da resistencia de carga.

Durante o semiciclo negativo, o dıodo nao conduz (interruptor aberta) impedindo que o semiciclo negativo

chegue aos terminais da resistencia de carga. A tensao nos terminais da resistencia e designada por contınua

pulsante, contınua porque mantem sempre a mesma polaridade e pulsante porque so aparece na resistencia de

carga os semiciclos positivos da tensao da fonte. Vemos abaixo os graficos das tensoes da fonte, resistencia e

dıodo respectivamente. Observe que o semiciclo positivo da tensao de entrada aparece na resistencia de carga

e o semiciclo negativo da tensao aparece aos terminais do dıodo.

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Figura 4.6: Rorma de onda do rectificador de meia-onda

5 Rectificador de Onda Completa com Derivacao Cen-

tral

Como este tambem e um circuito que possui dıodos, temos que analisa-lo nos dois semiciclos da tensao de

entrada.

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Figura 5.1: Rectificador de Onda Completa com Derivacao Central

5.1 Semiciclo positivo

Note que nesse semiciclo o dıodo D1 conduz e o dıodo D2 nao conduz.

Figura 5.2: Circuito equivalente (Semiciclo-positivo)

5.2 Semiciclo negativo

Figura 5.3: Circuito equivalente (Semiciclo-negativo)

Nesse semiciclo acontece o inverso em relacao ao semiciclo positivo, porem a tensao na carga permanece com

a mesma polaridade, o que implica no aproveitamento do semiciclo negativo da tensao de entrada como tensao

positiva na carga, o que nao acontecia com o rectificador de meia onda.

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As formas de onda ficarao assim:

Figura 5.4: Formas de onda

Note que em relacao ao rectificador de meia onda esta a ser entregue a carga o dobro de tensao, ja que no

semiciclo negativo tambem ha presenca de tensao na carga, e mais, com a mesma polaridade que aquela que e

entregue no semiciclo positivo, o que implicara em dobrar o valor medio de tensao na carga.

6 Retificador de Onda Completa em Ponte

Figura 6.1: Rectificador de onda completa em ponte

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Como este, tambem, e um circuito que possui dıodos, temos que analisa-lo nos dois semi-ciclos da tensao de

entrada.

6.1 Semiciclo positivo

Figura 6.2: Rectificador em ponte (semiciclo positivo)

Note que nesse semiciclo os dıodos D1 e D2 conduzem e os dıodos D3 e D4 nao conduzem.

6.2 Semiciclo negativo

Figura 6.3: Rectificador em ponte (semiciclo negativo)

Nesse semiciclo acontece o inverso em relacao ao semiciclo positivo, porem a tensao na carga permanece com a

mesma polaridade, o que implica no aproveitamento do semiciclo negativo da tensao de entrada como tensao

positiva na carga, repetindo o que acontecia com o rectificador de onda completa com derivacao central. As

formas de onda ficarao assim:

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Figura 6.4: Formas de onda

Note que todas as formas de onda sao exactamente iguais as do rectificador de onda completa com derivacao

central.

A saıda resultante de um rectificador e uma tensao dc pulsatoria, que ainda nao seria adequada para alimentar

uma carga. Esta tensao poderia ser utilizada, por exemplo, num carregador de baterias, onde a tensao dc media

e suficientemente grande para proporcionar uma corrente de carga para a bateria. Entretanto, como tensao dc

para ser utilizada em radios, aparelhos de som, e computadores, nao seria de maneira alguma a indicada. E

necessario um filtro para que a tensao dc de saıda da fonte seja mais estavel.

7 Filtragem

7.1 Filtro com condensador

O circuito de filtro mais popular e o que utiliza um simples condensador (geralmente electrolıtico de grande

capacidade) em paralelo com a carga, como o representado na seguinte figura. Um condensador e ligado a saıda

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do rectificador, e uma tensao dc e obtida nos terminais do condensador.

Figura 7.1: Filtro com um unico condensador

7.2 Filtro com condensador

A figura seguinte mostra a forma de onda existente nos terminais de um rectificador com condensador. O tempo

T1 e o tempo durante o qual os dıodos rectificadores de onda completa conduzem, carregando o condensador

ate a tensao de pico do rectificador, Vm. O tempo T2 e o intervalo de tempo durante o qual a tensao de

pico do rectificador desce abaixo da tensao de pico, e o condensador descarrega atraves da carga. O ciclo de

carga/descarga ocorre para cada meio ciclo, isto para um rectificador de onda completa. A tensao filtrada,

como mostra a figura, representa uma forma de onda na saıda com um nıvel dc, Vdc e uma tensao de “ripple”

Vr, resultado da carga e descarga do condensador.

Figura 7.2: Forma da tensao e saıda de um rectificador de onda completa com condensador

A saıda filtrada apresenta um nıvel dc e alguma variacao ac “ripple”. Quanto menor for a variacao ac

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comparada ao nıvel dc, melhor e a operacao de filtragem.

8 Estabilizador/Regulador de tensao

O circuito regulador pode aproveitar esta entrada dc para produzir uma tensao dc que nao so possui menos

“ripple” ou variacao ac, como ainda mantem constante o nıvel de saıda, mesmo para variacoes na entrada ou

na carga a que esta ligada. Esta regulacao e geralmente obtida, utilizando-se um circuito integrado (Circuito

Integrado Linear - dentro do CI existem transıstores, dıodos zener e resistencias).

8.1 Tensao positiva 78XX e Tensao negativa 79XX

Ha integrados para regularem tensoes positivas ou negativas. Pelas suas especiais caracterısticas, os integrados

reguladores de tensao prestam-se a utilizacao nas fontes de alimentacao. Ao terminal E (Entrada) aplicamos

a tensao a ser estabilizada e regulada pelo integrado. No terminal S (Saıda) recolhemos a tensao ja fixada

automaticamente no valor correspondente o codigo do integrado (Ex: 7805 diz-nos que a tensao de saıda regulada

e de 5 Volt). A tensao de entrada (E) - nao regulada - deve ser, pelo menos, 3 Volt maior do que a tensao de

saıda (S) regulada, para um perfeito funcionamento. De referir que o terceiro terminal terra/massa/neutro e

designado pela letra T.

Exemplos:

78XX 79XX

Regulador de tensao positivo Regulador de tensao negativo

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Reguladores de tensao - 78XX - 79XX

Codigo Positivo/

Negativo

Tensao maxima

de entrada

Tensao de saıda

(regulada)

Corrente maxima

de saıda

7805/7905 35 Volt 5 Volt 1 A

7806/7906 35 Volt 6 Volt 1 A

7810/7910 35 Volt 10 Volt 1 A

7812/7912 35 Volt 12 Volt 1 A

7815/7915 35 Volt 15 Volt 1 A

7818/7918 35 Volt 18 Volt 1 A

7824/7924 40 Volt 24 Volt 1 A

Exemplo: 7812

Tensao de saıda regulada 12 Volt sob a corrente maxima de 1 Ampere.

Tensao maxima de entrada 35 Volt.

Tensao mınima de entrada 12 + 3 = 15 Volt

• Quanto mais alta for a tensao de entrada (E) maior sera a dissipacao no integrado, funcao tambem da

corrente pedida pela carga ou circuito ligado a sua saıda (S). Nesse caso pode ser necessario acopular um

dissipador ao circuito integrado.

• Os circuitos integrados da linha 78XX e 79XX apresentam excelentes proteccoes automaticas, internamente

estabelecidas, contra aquecimentos excessivos e contra curto-circuitos na sua saıda.

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9 Exercicios

1. Desenhe o rectificador de meia onda e explique o seu funcionamento

2. Desenhe o esquema do rectificador de onda completa com derivacao central e explique o seu funcionamento

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3. Neste ultimo diga qual o valor da tensao na carga?

4. No circuito rectificado de onda completa com 4 dıodos, calcule os picos de tensoes de saıda. considere os

seguintes valores: Tensao de entrada=220V; Tensao a saıda do transformador=17V

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