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PROJETO Fonte de alimentao CC profissional 0-40V, 0-4A
Quando queimou minha fonte CC ajustvel de bancada, de construo
artesanal, pensei em comprar uma
nova, mas o custo de um equipamento de qualidade me fez optar
novamente pelo faa voc mesmo.
Vasculhei muitos artigos de eletrnica, em busca de uma fonte com
boa relao custo-benefcio e que
utilizasse peas de fcil reposio.
A inteno era dispor de uma fonte melhor, pois a anterior tinha
um problema chato, que era a elevao da
tenso de sada aps o desligamento. Da lembrei de uma antiga
revista Elektor, onde encontrei o projeto
desejado.
Conto aqui como foram feitas a montagem e as pequenas alteraes
no circuito, que entrega de 0 a 40V CC,
com controle de corrente de 0 a 4A. Tem proteo total contra
curtos-circuitos e compensao para a queda
de tenso nos cabos.
uma fonte de bancada de tima qualidade, confivel, que utiliza
componentes corriqueiros e baratos e
dispe de mais recursos que a maioria das fontes comerciais.
O projeto
No projeto original revista Elektor n 24, de julho de 1988,
primeira edio brasileira [1] constavam os
valores de 35V e 3A mximos, mas quando reli o texto, percebi que
era possvel aumentar estes limites,
praticamente sem modificar o circuito.
Este artigo fez parte, aparentemente, de todas as edies da
Elektor mundo afora, pois o stio italiano HP6400
[2] disponibiliza a revista com o mesmo texto (em italiano,
obviamente). L na Itlia, o artigo foi publicado na
revista 47, de Abril (Aprile) de 1983.
A fonte utiliza componentes extremamente comuns e baratos, fceis
de encontrar em sucata. Mesmo
utilizando substitutos mais modernos e equivalentes, como os
transistores de sada e os comparadores, o
projeto no precisa ser modificado.
No irei explicar o que aquele texto fez muito bem, sobre o
funcionamento da fonte e suas caractersticas
peculiares. Basta dizer que utiliza o tradicional LM723,
auxiliado por dois comparadores LM741 e necessita de
transformador(es) com enrolamentos independentes, um para a
alimentao dos integrados e outro para a
sada da fonte.
Preferi um projeto com controles totalmente analgicos, por causa
da simplicidade do circuito e para dispor de
ajustes imediatos. Uma fonte com microcontrolador poderia ser
mais exata, mas perderia na rapidez para
alterar a tenso ou corrente, que normalmente seria feita atravs
de botes.
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Apesar de ser um projeto com mais de 30 anos, tive vrias e
agradveis surpresas com este circuito. Por
exemplo, uma caracterstica difcil de ver em projetos de fontes
ajustveis por a a tenso inicial. Esta fonte
comea em zero Volt mesmo, com limitao mnima de corrente em torno
de 2mA (depende da qualidade do
potencimetro).
Figura 1 Fonte em uso como testador de diodos zener.
Isto permite um recurso muito interessante: a fonte pode servir
como testador de diodos zener de at 40V
(igual ao valor mximo da tenso de sada da fonte). Ao espetar um
zener nos terminais da fonte, ligado
corretamente (para zeners, o ctodo no positivo), deixando a
corrente em zero e elevando gradualmente
a tenso de sada, ela subir s at o valor que o zener deixar. Com
isso, o voltmetro da fonte indicar a
tenso do diodo, como na figura 1, onde o zener testado de 10V.
Chega de espremer as vistas a olhar as
letrinhas apagadas nos diodos
Ento, para testar diodos necessrio manter o ajuste da corrente
de sada sempre no mnimo. Esta corrente
suficiente para obter uma estimativa de tenso do diodo sob
teste. Mas se a corrente subir, no mnimo voc
poder queimar o diodo, ou seus dedos
A figura mostra o display da fonte em zero, enquanto que o
multmetro indica 15mA. Logo a seguir conto o
que aconteceu.
Os mostradores
O primeiro progresso em relao minha antiga fonte de bancada foi
a instalao de mostradores (displays)
independentes, para corrente e tenso. Chega de escolher a
grandeza com uma chave (figura 2). A medio
on-line facilita muito os experimentos, pois no h a necessidade
de ligar multmetros para medir a corrente
e/ou tenso que a fonte entrega, alm de diminuir a confuso de
fios e instrumentos na rea de trabalho. As
informaes sempre esto disposio.
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Figura 2 Fonte antiga, que queimou e ser substituda.
Escolhi no utilizar mostradores analgicos para corrente e tenso,
como os do artigo original, pois eles so
frgeis e necessitam de um tempo para interpretao, ao passo que
os instrumentos digitais de hoje so
baratos e sua indicao pode ser vista mesmo no escuro. Apesar
disso, reconheo que os mostradores
analgicos tem como vantagens a rapidez de resposta e a
simplicidade de instalao.
Consegui na internet mdulos de medio independentes, com LEDs de
cores diferentes, para tornar mais
cmoda a visualizao. As cores foram escolhidas para haver
bastante diferena entre corrente e tenso, de
modo a diminuir as confuses durante as medidas. O voltmetro
comprado mede at 100V e tem LEDs
amarelos e o ampermetro alcana 10A, com LEDs azuis.
S que, em razo do baixo preo dos medidores, sempre vem junto
algum problema na qualidade final. Neste
caso, a leitura com claridade era muito ruim, tinha pouco
contraste e era fcil de confundir os nmeros.
Foi necessrio intercalar na frente de cada display um filme
plstico colorido. a conhecida gelatina de
iluminao, que tem cores bem definidas e muito melhor que o
celofane colorido. encontrada em lojas de
sonorizao e iluminao profissional.
Figura 3 Ampermetro desmontado, com pelcula
colorida, junto lmina difusora do ampermetro.
Figura 4 Dois ampermetros, um deles com a
pelcula azul.
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Figura 5 Comparao dos dois ampermetros,
ligados na mesma alimentao. O medidor da
direita no tem o filme colorido e est indicando
0.00, mas quase no se percebe.
Figura 6 Voltmetro montado.
Figura 7 Voltmetro ligado, com as pelculas.
A caracterstica destas pelculas deixar passar somente a cor
desejada e filtrar o resto. Isto facilita a leitura
e aumenta o contraste, como possvel perceber nas figuras 3, 4 e
5. As cores escolhidas foram iguais s dos
LEDs, azul e laranja, para corrente e tenso,
respectivamente.
A cor laranja deste filme to forte que parece vermelho, como se
nota nas figuras 6 e 7. Mesmo assim,
nesta cor foram aplicadas duas camadas de gelatina e o contraste
no ficou to bom quanto no display azul.
A lmina original, incolor, corrugada e transparente, que tem a
funo de dispersar a luz, foi mantida e ficou
na face externa.
No painel, os mostradores foram dispostos afastados um do outro.
Cada um tem abaixo dele uma enorme
letra, que indica a grandeza medida (V ou A).
Figura 8 LED pisca-pisca, com oscilador embutido (rea
preta).
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Para outro indicador, o LED que indica curto circuito, foi
escolhido um tipo que pisca sozinho, o LED flasher.
Ele tem embutido no invlucro o oscilador (figura 8) e ao ser
energizado, comea a piscar. O LED foi colocado
ao lado do ampermetro e ajuda a chamar a ateno no caso de ser
ultrapassado o limiar (ajustvel) da
corrente mxima.
Problemas com o ampermetro
A colocao de medidores digitais requer fontes de alimentao
independentes. Obrigatoriamente, uma para
cada medidor, de modo a evitar influncia mtua.
No incio, montei somente uma fonte isolada para os dois
medidores, mas durante os testes, comearam a
aparecer problemas estranhos, que somente desapareceram com a
retirada do ampermetro.
Para resolver o problema, foi montada outra fonte, com um
pequeno transformador de gravadores K7, com
10VCA, acoplado a uma plaquinha com 4 diodos e um capacitor
(figura 9). A tenso no muito importante,
pois estes mdulos funcionam bem desde 6 V at alm de 20VCC, sem
estabilizao. Resolvida a questo da
alimentao dos mostradores, os desafios continuaram
Figura 9 Transformador e fonte auxiliar, adicionados para isolar
a alimentao do ampermetro.
O ampermetro conseguido inicialmente e que est em vrias das
fotos, tinha alcance original de 50A. Como
dispunha de somente um dgito aps a vrgula, modifiquei o alcance
para 10A, com a troca do resistor de
shunt original, externo, por outro, construdo especialmente
(figura 10).
Como no seria possvel alterar facilmente a posio do ponto
decimal (o chip no tem qualquer identificao
e teria que alterar as ligaes do display), tapei com fita
isolante o ponto original e colei uma bolinha branca,
uma casa esquerda. Depois, comprei um mdulo para 10A, que tem o
shunt interno e vem com o ponto
decimal na posio desejada. E a veio a grande dor de cabea
Os dois mdulos so do modelo C27D, utilizam a mesma placa, com
pequenas diferenas, como possvel
perceber na figura 11. S que no modelo de 10A, a preciso com
baixas correntes foi inaceitvel.
Para aferio, foi montado um circuito de teste, com a ligao em
srie de dois multmetros e um resistor de
fio de 15 ohm, 5W, na sada da fonte. Os multmetros foram
ajustados como ampermetros, na escala
adequada. Com a ligao, a corrente que passa pelos 3 ampermetros
e a carga (o resistor) a mesma.
uma forma de minimizar os erros nas medies. A tenso de sada da
fonte foi ajustada conforme a corrente
desejada de teste.
Para correntes de 0,99A ou maiores, o mdulo do ampermetro
funciona bem, est correto (figura 12). Mas,
abaixo de 200mA, o instrumento aumenta o erro e chega a uma casa
decimal: quando a corrente
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100mA, indica 0,01A (figura 13). Deveria indicar 0,10A. Abaixo
de 90mA, no indica nada (tinha que
mostrar 0,09 e exibe 0,00 figura 14).
Inicialmente, pensei que poderia haver alguma interao com a
fonte de alimentao, que influenciaria a
medida, o que no se comprovou. Medi a corrente com o mdulo
ligado externamente e o problema
continuou. Mesmo reajustando o micro-trimpot no ampermetro as
fotos mostram o painel da fonte
entreaberto -, ficou tudo na mesma.
Alm disso, a precauo de evitar o conector para a corrente, com a
solda direta dos fios ao mdulo (figura
15), evitou as falhas, mas no ajudou na preciso.
Figura 10 Shunt original de 50 A e resistores de fio formando um
shunt para 10A. Foi trabalhoso constru-
lo
Figura 11 Ampermetros de 50A e 10A. O shunt o fio grosso,
direita, embaixo, e corresponde ao modelo
de 10A.
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Figura 12 Teste de corrente a 0,99A, com os 2 multmetros, mais o
mdulo ampermetro da fonte, ligados
em srie com a carga. Todos esto iguais.
Figura 13 Teste de corrente a 0,10A, o ampermetro da fonte
indica uma casa decimal a menos.
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Figura 14 Teste de corrente a 0,09A, o ampermetro da fonte no
indica nada.
Figura 15 Ligao do ampermetro com solda, evitando o
conector.
No me contive e testei novamente o ampermetro antigo, para
confirmar se o problema era naquela unidade
ou uma caracterstica de fabricao. O outro modelo, de 50A, no
mede abaixo de 20mA. Acredito que seja
problema na programao do microcontrolador, ou uma simplificao
interna na amostragem, que estraga a
resoluo.
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Outra limitao que estes mostradores no medem com a polaridade
invertida, a entrada no
flutuante. Se inverter a polaridade da corrente ou da tenso, o
mostrador no exibe corretamente,
geralmente fica em zero.
Como s notei isto depois de algum tempo, no tive nem como
reclamar ao vendedor. Fico indignado quando
compro um produto que no cumpre a funo que deveria desempenhar.
O preo baixo tem sempre seu
contragolpe, apesar dos voltmetros que comprei no terem nenhum
problema grave. Inclusive, foi por isto
que pensei em converter um voltmetro em ampermetro.
Convertendo um voltmetro para ampermetro
Lembrando, para quem sempre se confunde, que ampermetro o
instrumento que fica em srie com a
carga e deve ter baixssima impedncia (como um fio o shunt), ao
passo quevoltmetro fica em
paralelo com a carga e desejvel alta impedncia, para no
interferir nas leituras.
Em corrente alternada, pode ser necessrio voltmetro com
impedncia ao redor de 3K ohm, para descartar
leituras errneas de tenses fantasma, induzidas em conexes sem
qualquer ligao. So os famosos
multmetros de eletricistas, com medio VCA Lo-Z. Mas isto outra
histria.
Quando conheci os voltmetros e ampermetros modulares, fiquei to
interessado que adquiri um modelo
menor, que veio com uma caracterstica inesperada, o ponto
flutuante: conforme a tenso de entrada, ele
muda o ponto de lugar (figuras 16 e 17).
Desconsiderando a diferena de tamanho, seria um timo substituto
para o ampermetro de LEDs azuis. Ele
somente tem dois fios de ligao, pois foi projetado para ler a
prpria tenso de alimentao, que deve estar
entre 5 e 30VCC.
Foi possvel separar a entrada para leitura da tenso de alimentao
(figura 18), modificando a posio do
resistor de 68K (marcado como 683), como possvel perceber na
figura 19.
Figura 16 Voltmetro miniatura com 5V de tenso na entrada.
Figura 17 Voltmetro miniatura com 10V de tenso na entrada cuidar
a posio do ponto, que mudou.
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Figura 18 Vista da placa do mini voltmetro original, com dois
fios. A tenso de alimentao a que
medida. O resistor de 5K1 (512) est montado sobre outro, de 2K4
(242).
Figura 19 Vista da placa do mini voltmetro modificado, pode-se
notar a mudana de posio do resistor de
68K e a incluso do fio laranja, que agora a entrada para
medio.
Feita a separao entre medio e alimentao, o instrumento
apresentou outro problema. Colocado um
divisor resistivo na entrada, feito com um trimpot multivoltas,
de modo a adaptar a leitura sobre R21 (que
o shunt original da fonte), tivemos outra decepo: a falta de
linearidade.
O voltmetro tinha que receber na entrada aproximadamente 800mV,
que foi a tenso medida sobre R21,
quando atravessado pela corrente mxima de 4A. O instrumento, com
esta tenso na entrada, deveria indicar
4.00, o que o converteria em ampermetro.
Ajustado o trimpot, foi constatado que a leitura das tenses no
regrediu linearmente, aumentou o erro
conforme diminuia a tenso sobre R21. Ainda por cima, o
instrumento no leu correntes menores que 80mA.
possvel que a impedncia de entrada exera alguma influncia na
medio, mas no h qualquer
informao adicional sobre estes mdulos, so uma caixa preta. muito
estranho que todos eles, sem
exceo, no exibem qualquer inscrio no integrado principal. Parece
que foram feitos apenas para bonito,
no so precisos.
Sem mais um pingo de pacincia, recoloquei o ampermetro anterior,
com a lembrana de que no posso me
basear nele para correntes menores que 200mA.
Este ampermetro ficar na fonte s at eu encontrar outro melhor.
Neste caso, posso dizer que estou um
pouco arrependido de no utilizar os galvanmetros tradicionais,
que no causariam uma discrepncia to
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grande. Mas os j citados benefcios dos indicadores digitais
ainda superam, ao menos para mim, aqueles
antigos instrumentos.
Para quem for montar a fonte com indicadores digitais, poderia
adaptar um multmetro comum, vendido a
menos de 20 reais e mont-lo no painel da fonte, deixando somente
odisplay vista. Alis, foi isto que fiz em
minha fonte anterior (rever a figura 2). S que para chavear de
tenso para corrente, foi necessrio incluir
um rel, que trocava as ligaes.
Atualmente, pelo preo que se paga por estes pequenos multmetros
possvel at comprar dois, um para
tenso e outro para corrente. O espao ocupado pode ser grande,
mas seriam mais confiveis.
Neste caso, a alimentao dos multmetros deve ser individual e de
excelente qualidade, totalmente isenta de
rudos. Parece fcil, mas trabalhoso. Pode-se procurar na internet
o esquema de algum multmetro de
bancada e ver como feito. Ou, mais simples, manter as baterias,
desde que exista um modo de deslig-las.
Por exemplo, com um rel acionado pela alimentao da fonte.
H tambm mdulos de LCD de 3 1/2 dgitos venda na internet, com
fundo de escala de 199mV.
Provavelmente, so baseados no clssico integrado ICL7106, que o
corao de todo multmetro comum de 3
1/2 dgitos. uma opo interessante.
Poderia ser til dispor de mdulos com mais casas decimais, como
os da fonte da figura 20. Ainda no os
encontrei no Brasil, com um preo aceitvel e na cor desejada, s
em fornecedores estrangeiros.
Figura 20 Fonte de bancada com displays de maior preciso (4
dgitos). Fonte: Farnell [30].
O transformador
Consegui colocar nesta fonte um transformador toroidal, que era
originalmente um autotransformador. Para
ver como ele foi adaptado, consulte o post anterior. A vantagem
deste componente , principalmente, a
facilidade de adicionar enrolamentos, a qualquer tempo (desde
que haja espao).
O autotransformador veio a calhar porque permitiu utilizar o
enrolamento existente como primrio. Foram
bobinados 3 secundrios: 34VCA para a sada da fonte e 12+12VCA
para o circuito de estabilizao (figura
10). Tambm foi includa uma sada de 7VCA para os medidores
digitais. uma tenso intermediria, no
muito baixa nem alta, pois os medidores aceitam desde 5 at
30VCC.
Nota: J comentei no texto que por caractersticas intrnsecas do
ampermetro, foi necessrio adicionar um
enrolamento CA exclusivo para este instrumento. Para isto, foi
agregado um pequeno transformador ao
gabinete, j que no cabia mais nada no transformador
toroidal.
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Figura 21 Enrolamentos do transformador para a fonte de 0-40V,
0-4A.
Figura 22 Transformador rebobinado, j montado na fonte.
Como o artigo aventava a possibilidade de modificar a tenso e
corrente mximas de sada, o transformador
foi enrolado com uma tenso um pouco maior que o valor requerido
originalmente.
Mas, na prtica, a teoria outra O transformador, que era para ter
37VCA, ficou com 34VCA. A razo
disso que as medies foram feitas tarde da noite, quando a tenso
da rede eltrica sobe para alm dos
220VCA.
Na pressa de concluir o enrolamento, no compensei a tenso CA no
Variac (um transformador, tambm
toroidal, continuamente ajustvel e que forneceu a tenso de
teste). Da, retirei algumas espiras do
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enrolamento de 37VCA, antes de verificar qual era a tenso na
entrada do transformador. Apesar de ter
ficado com 34VCA, a fonte entrega tranquilamente os 40VCC, pois
a retificao e filtragem aumentam a
tenso CC disponvel (aproximadamente 1,414 vezes, quando sem
carga).
A tenso de sada da fonte abaixa para 38VCC, quando a carga drena
4A, com tenso da rede de 220VCA
(figura 23). Isto, sem trocar o capacitor C10, de 4700uF, por
outro maior. Para a maioria das minhas
aplicaes, est bem satisfatrio. Daqui a alguns anos, talvez eu
troque o transformador, ou o reenrole com
mais cuidado
Figura 23 Fonte sob carga mxima. Notar o aquecimento do resistor
de 10 ohm, que est vermelho e
soltando fumaa.
A sada de 12+12VCA do transformador, enrolada em outro momento,
ficou 1VCA mais alta que o desejado,
resultando em uma alimentao simtrica de +-18,5VCC,
aproximadamente. Ela ultrapassa a tenso mxima
de trabalho dos amplificadores operacionais utilizados (LM741CN,
ver referncias [3] a [6]). Aqui, talvez, teria
sido mais prudente incluir reguladores de +-15VCC, para evitar
problemas de sobretenso. Mas at agora, os
comparadores aguentaram bem o excesso. H uma linha do
operacional 741 que tolera at +-22VCC (741,
741A e 741E) e possvel que os componentes com o sufixo CN
aceitem tenses um pouco alm dos +-
18VCC.
Apesar do meu descuido, certo que faltou um estabilizador de
tenso para manter um padro razovel para
os testes. E no estou falando de estabilizadores simples,
utilizados em computadores, que arruinam muito
mais a energia fornecida do que a melhoram.
Falo de estabilizadores reais, com sada senoidal pura ou prxima
disso, como os da CP eletrnica [7], por
exemplo. Esta renomada empresa, hoje parte da Schneider
Electric, disponibiliza diversos artigos tcnicos
sobre energia em sua pgina na internet.
Mas estes equipamentos custam caro, por isto o mais prtico e
ainda dispendioso utilizar um Variac
(variable transformer) e conferir sua tenso de sada a cada
medio. Quem quiser conhecer melhor este tipo
de transformador, acesse as referncias [8] at [11].
Em ltimo caso, ainda poderia ser utilizado um estabilizador para
computadores. Mas teria que ser aquele
modelo que realiza o chaveamento da tenso de sada com TRIACs, no
com rels. So aqueles
extremamente silenciosos, que nunca fazem o famoso
tlec-tlec.
Erro na lista de material
interessante notar que h um erro que no foi corrigido no projeto
da Elektor, tanto no artigo em portugs
quanto em italiano, que o valor de C1 e C2. Na lista de material
consta 100uF/25V, mas no esquema
aparece 1000uF. Pelo tamanho dos capacitores na placa e pela sua
funo (filtragem da fonte simtrica
interna), obviamente os valores corretos so os do esquema.
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O nico componente incomum do projeto o transistor BD241. Como
substituto, pode ser empregado o
TIP31A ou o TIP41A. O sufixo pode tambm ser B ou C, que exibem
tenses maiores entre coletor e emissor
(Vce). vantajoso escolher o transistor com maior ganho, pois ele
ir formar a configurao Darlington de
sada.
A placa de circuito impresso
O projeto original da placa no era bem o que eu queria, pois
utilizava capacitores axiais, que so difceis de
encontrar. Por isto, redesenhei parte do circuito impresso e fiz
pequenas alteraes, como a incluso de fonte
para os mostradores e a separao do estgio de potncia. Alm disso,
como a placa foi adaptada para
mostradores digitais, foram excludos R25, R26, P3 e P4. Se o
leitor pretender utilizar os indicadores
analgicos de corrente e tenso, melhor ser montar a placa do
artigo original da Elektor.
Para montar uma fonte destas devo lembrar que, com mostradores
digitais de corrente e tenso, o circuito
precisa de 4 secundrios isolados, provenientes de um ou mais
transformadores: os originais 33VCA/5A (Tr1)
e 12+12VCA/0,4A (Tr2) e outros dois, cada um deles com sada
entre 5 e 15VCA, com corrente de 0,5A, para
os mostradores. Com galvanmetros, estes dois ltimos enrolamentos
no so necessrios.
O esquema da fonte est na figura 24. O projeto da placa em pdf
est AQUI. O projeto completo, com os
arquivos KICAD e todos os pdf, est NESTE LINK.
Os jumpers JP1, JP2 e JP3 foram includos no desenho para
facilitar o roteamento automtico (router) das
trilhas, quando se utiliza no KiCad uma s camada de circuito
impresso.
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Figura 24 Diagrama esquemtico da fonte CC de 0 a 40V e 0 a
4A.
Nem todos os capacitores foram alterados para o formato radial.
Como eu tinha em estoque dois eletrolticos
axiais de 1000uF/25V, novos e de tima qualidade, classe 105C,
mantive os lugares de C1 e C2. Para C10,
de 4700uF/70V, deixei espao para modelos maiores, pois h grande
diferena de uns anos para c (figura
25). Isto tambm facilita aumentar a capacitncia, que necessrio
quando se deseja fornecer correntes
acima de 3A.
Figura 25 Capacitores eletrolticos de mesmo valor, mesmo modelo
e mesmo fabricante, produzidos com 15
anos de diferena.
Os diodos, por sua vez, foram utilizados os disponveis no
estoque. Para a retificao dos 4A, a placa foi
modificada para receber 4 diodos 6A8, que aguentam at 6A. Deste
modo, fica reduzido o estresse sobre o
estgio de retificao. As outras duas fontes foram feitas com
pontes retificadoras comuns, de 1 ou 2A.
Outra alterao no projeto original foi a incluso de um ajuste
fino da tenso de sada. Era outra das
dificuldades de minha fonte anterior: ajustar exatamente a tenso
desejada. Foi adicionado um potencimetro
de 2K2 ohm em srie com P1, de 50K. O valor dele foi escolhido
para modificar a tenso em torno de 5%.
Com os dois potencimetros em zero, a sada zero Volt. Com P1 em
zero e o ajuste fino no mximo, a sada
fica em 2,3VCC.
Pensei em utilizar um potencimetro multivoltas para o lugar de
P1, em vez do ajuste adicional, mas muitas
vezes h a necessidade de mudar rapidamente a tenso e rodar 10
voltas no ajuda muito
No achei necessrio fazer o mesmo para a corrente de sada, pois a
exatido desta grandeza no to
importante quanto a tenso, ao menos no meu caso. No perodo de 16
anos em que fiquei com a outra fonte,
s senti falta de um controle de corrente, mas nada muito
preciso.
Para quem trabalha frequentemente com fontes de corrente
constante, como os circuitos com LEDs, o ajuste
fino de corrente de poderia ser uma opo interessante. Neste
caso, um ampermetro com mais uma casa
decimal ajudaria para visualizar um resultado preciso.
Para o desenho do esquema e da placa de circuito impresso, foi
utilizado o KiCad. um excelente
aplicativo CAD para eletrnica, totalmente gratuito. CAD quer
dizer Computer Aided Design projeto auxiliado
por computador. O KiCad tambm dispe de mdulo de roteamento
automtico de trilhas e de visualizador
tridimensional da placa montada. Para quem quiser conhecer o
KiCad, acesse o link na referncia [12].
S que na hora de repassar o desenho para a placa real e
corro-la, preferi o mtodo tradicional, com a folha
impressa espelhada, a caneta para retroprojetor e uma antiga
lmina de barbear (figuras 26 a 34). que
ainda no me acertei com aquele esquema de ferro de passar roupa
e papel glossy
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Figura 26 Raspando os excessos com gilete
encapada em fita crepe.
Figura 27 Trilhas corrigidas, antes da corroso.
Figura 28 Projeto da placa no KiCad, lado
cobreado.
Figura 29 Placa pronta para corroso.
interessante comparar com a figura anterior
Figura 30 Placa corroda, onde possvel ver as
falhas da cobertura de cobre.
Figura 31 Placa com verniz (breu diludo em
lcool isoproplico).
Figura 32 Vista do lado dos componentes,
durante a furao.
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Figura 33 Projeto da placa no KiCad, lado dos
componentes.
Figura 34 Placa pronta e montada, faltando apenas R21, R4 e R16.
ATENO: o diodo D1, junto ao LM723,
est montado invertido.
O mtodo simples. Para comear, coloco a placa cortada no tamanho
final, sem rebarbas, limpa com palha
de ao (o lado cobreado) e fixada pelas bordas mesa, com o cobre
virado para cima. Alinho a ela a folha
impressa com o lado cobreado (impresso espelhada do KiCad) e
comeo a marcar levemente os furos, com
um fino puno de ao. Aps, retiro o papel e fao as trilhas com a
caneta para retroprojetor (ou para CD),
sempre cuidando o desenho impresso. Os retoques finais so feitos
com uma lmina de barbear, para
remover qualquer curto-circuito. Eventualmente necessrio refazer
alguma trilha.
Para apressar a corroso, costumo deixar exposta a menor
quantidade possvel de cobre, para ser removido
no banho de percloreto de ferro (ou cloreto frrico, a mesma
coisa). Isto tambm aumenta a durabilidade
do lquido corrosivo. A economia de tempo necessria para evitar
que a camada de tinta da caneta comece
a levantar. No interessante apressar a corroso com o aquecimento
da soluo, pois os desenhos feitos a
caneta das trilhas, soltaro mais rpido ainda
Se a placa fosse menor, eu a teria corrodo dentro de um frasco
de vidro com a tampa lacrada. O lacre um
saco plstico fino, com papel absorvente no interior, colocado
entre a tampa e o vidro. Melhor usar vidro do
que plstico, para enxergar bem a corroso.
Derramando (per)cloreto de ferro at a metade da altura da placa,
ou pouco mais, s fechar a tampa e
agitar bastante. Para evitar vazamentos, o frasco de vidro fica
dentro de um saco plstico. Com isso,
possvel corroer uma placa em at 3 minutos, depende da
temperatura ambiente e do vigor da agitao.
No KiCad, fica trabalhoso ampliar as reas de cobre. Na figura 28
aparece a placa projetada, apenas com
trilhas finas. As figuras 29 a 31 mostram a placa, antes e
depois do banho de percloreto. Se no olharmos
bem, parece outro circuito
A conexo do negativo da fonte foi espalhada para cobrir as reas
livres, mas nunca fazendoloop de terra
(ligao vinda de mais de um lugar, formando um anel). Em udio,
este procedimento costuma melhorar
muito a relao sinal/rudo e sempre til em caso de alteraes no
projeto. Este mtodo de confeco de
placas j foi comentado em post especfico.
Comparando o esquema da figura 24 com o desenho da placa (figura
33), nota-se que h vrias peas que
no esto no circuito impresso. que C12 conectado diretamente nos
bornes de sada, conforme orientao
do artigo da revista. E os componentes T2, T3, T4, T5, R17, R18,
R19 e R20 formam o bloco de potncia,
comentado mais frente.
Na placa montada (figura 34), pode-se ver que os circuitos
integrados utilizam soquetes. Se no for possvel
conseguir soquetes torneados, de boa qualidade, melhor soldar
direto os circuitos integrados. Porque o
equipamento no para dar defeito pelos prximos 10 ou 20 anos, no
mnimo.
A simplificao do circuito
Durante os testes, foi percebido que a fonte pode comportar-se
mal se as conexes sensoras (Us) utilizadas
para monitorar e compensar a tenso de sada -, no forem ligadas
junto a seus respectivos plos, em todas
-
as situaes de uso. Ou seja, se o leitor montar esta fonte,
conforme projetada originalmente,
sempre ser necessrio utilizar os cabos de alimentao compensados
(figuras 35 e 36).
Estes cabos tem duas ligaes para cada plo, que so unidas na
respectiva garra jacar. Por isto que a
fonte tem 4 bornes de ligao na sada. Dois fios (um positivo e
outro negativo) carregam a tenso de sada
da fonte. Os outros dois, devolvem para a fonte a informao da
tenso presente nas garras jacar. Deste
modo, o circuito compensa, sempre que necessrio, qualquer
alterao na tenso de sada.
Assim, teremos l nos pontos onde as garras tocam, exatamente a
tenso desejada. Por isto, sempre mais
correto determinar a tenso de sada ANTES de ligar a carga (sem
qualquer consumo de corrente).
Figura 35 Ligao da sada da fonte Elektor. No painel montado, os
terminais +Us1 e -Us2 esto
posicionados entre +U1 e -U2.
Figura 36 Cabos compensados, ligados na fonte com os terminais
sensores (Us). Cada plo tem as ligaes
U e Us unidas somente na garra jacar.
-
Figura 37 Fonte ajustada para 20V, corrente mxima, sem
carga.
Figura 38 Fonte ajustada para 20V, corrente mxima, com carga.
Observar a diferena entre as tenses, na
fonte e no multmetro.
Fiz um teste simples para demonstrar o funcionamento deste
recurso, nas figuras 37 e 38. Como carga, foram
empregadas duas lmpadas incandescentes de 12V-21W, ligadas em
srie. So as tpicas lmpadas utilizadas
nos pisca-pisca dos automveis.
-
O multmetro est conectado s garras jacar, onde a carga ser
ligada. Na figura 37 a carga no est
conectada fonte, por isso as tenses do voltmetro da fonte e do
multmetro so exatamente iguais
(20,0VCC).
Mas quando as lmpadas so conectadas (figura 38), o voltmetro da
fonte informa 20,2VCC, ao passo que o
multmetro continua indicando 20,0VCC. H, portanto, 200mVCC
(0,2VCC) de queda de tenso na fiao at a
carga. Este valor corresponde a 1% da tenso desejada, quando o
consumo de corrente de somente 1,29A.
Todos os cabos apresentam alguma resistncia (e consequente queda
de tenso). O efeito facilmente
observvel com altas correntes e com cabos finos e/ou longos. Com
a elevao da corrente sobre a carga, a
queda de tenso aumenta proporcionalmente na fiao, pois uma tpica
aplicao da lei de Ohm, onde V=RI
(tenso igual a resistncia multiplicada pela corrente).
Em nosso caso, os cabos apresentam uma resistncia total de 0,155
ohm (R=V/I). Neles, a queda de tenso
para uma corrente de 4A, por exemplo, chega a 0,62VCC. Ento, se
alimentssemos um circuito com 5V, que
consumisse 4A, teramos uma perda de 12%, se no houvesse a
compensao da fonte, pois o circuito
receberia somente 4,38VCC (5 0,62VCC).
Figura 39 Comparao entre o cabo superflexvel para pontas de
prova (abaixo) e um cabinho 20 AWG.
Em razo disso, o calibre (bitola) dos cabos de alimentao dever
ser grosso, para evitar o aumento das
perdas. No meu caso, utilizei cabos especficos para pontas de
prova (extra flexvel), comprados em lojas de
eletrnica. Montei eles com 100 cm de comprimento. A bitola
parece 0,50mm ou menor, quando comparado
com um cabo 20AWG (0,58mm figura 39). uma seo insuficiente para
carregar as altas correntes que a
fonte pode gerar. Apesar disso, o circuito de compensao resolve
por enquanto meu problema.
-
Figura 40 Esquema simplificado da fonte Elektor.
-
Para quem tem pouca experincia com eletrnica, talvez seja melhor
montar um circuito simplificado, sem a
compensao da tenso de sada. Excluindo alguns componentes (R23,
R24, C11 e os terminais Us1+ e Us2-
), a fonte fica mais simples de montar e utilizar.
Neste caso, R23 e R24 devem ser trocados por jumpers e os cabos
de alimentao CC tero que ser mais
curtos, com bitola 1,5 mm ou maior. A figura 40 traz o esquema
desta mesma fonte, com as simplificaes.
O arquivo PDF est AQUI e em formato KiCad, AQUI.
Outra opo seria incluir uma chave de boa qualidade, para
escolher entre medir com a compensao de
tenso ou no, da maneira que a fonte da figura 20 faz. Isto
amplia a versatilidade da fonte. Na prtica, o que
a chave faz uma escolha entre unir as entradas sensoras a seus
respectivos plos, junto aos bornes, ou
receber as conexes externas de compensao. O artigo da Elektor
menciona esta possibilidade.
E eu fiz tambm Aps escrito o artigo, percebi que era fcil
incluir uma chave para colocar os bornes em
contato, como possvel ver nas figuras 40A e 40B. A chave s liga
cada borne com o seu correspondente,
muito simples. Agora, possvel utilizar cabos comuns, quando
desejado. Neste caso, a chave do sensor fica
na posio interno (figura 40C).
Figura 40A Chave includa no painel, para permitir o uso de cabos
comuns. As letras entortaram por causa
do verniz anterior, que dissolveu quando foi aplicada a nova
camada.
Figura 40B Detalhe da chave no painel da fonte, onde possvel ver
as ligaes com os bornes.
-
Figura 40C Fonte com a chave embutida e com cabos comuns para
ligao (cabo Minipa MTL-23).
O mdulo dos transistores de potncia
Pensando na durabilidade desta fonte, deixei a maioria dos
componentes de potncia do lado externo do
gabinete. Assim, a conveco natural auxilia o arrefecimento dos
transistores, sem precisar de ventoinha. Isto
mantm a fonte silenciosa, mas se necessrio, poder ser acoplada
uma ventilao forada para melhorar a
troca de calor.
A ligao do bloco foi simplificada ao mximo, pois ele tem apenas
3 fios. como se fosse um transistor
bipolar NPN qualquer, com coletor, base e emissor, mas de alto
ganho e com grande capacidade de corrente.
Isto facilita mudanas ou substituies futuras.
O bloco conta com 3 transistores 2N3055, um TIP41C e os
respectivos resistores de emissor. So os
componentes dentro da rea pontilhada, no esquema da figura
24.
Este bloco compe a conhecida configurao Darlington, que a ligao
em cascata de um transistor com
outro mais potente. O ganho de corrente da configurao
aproximadamente o resultado da multiplicao
dos ganhos dos transistores cascateados. Isto faz com que o
conjunto necessite de pouca polarizao
(corrente) de base, para conseguir conduzir altas correntes
entre coletor e emissor. Alm disso, a
configurao utiliza 3 transistores de potncia em paralelo, para
garantir o fornecimento de corrente, sem
aquecer demais.
O Colgio Parob [13], tradicional escola tcnica de eletrnica,
mostra de forma bem prtica o funcionamento
desta ligao. E a Universidade Federal de Pernambuco UFPE [14]
disponibiliza slides que explicam
diversas configuraes de transistores, alm de indicar algumas
aplicaes.
Nas figuras 41 a 55 pode-se acompanhar um passo-a-passo que
demonstra as tcnicas utilizadas para montar
os transistores de potncia nos dissipadores.
Foram escolhidos 3 transistores com ganhos bem parecidos, de
modo a fazer com que o aquecimento deles
seja semelhante. Poderia ter optado por utilizar o 2SC5200, que
mais moderno, mais fcil de montar e de
encontrar. Mas como eu dispunha de alguns 2N3055 em timas
condies e tambm tinha dissipadores j
perfurados para encapsulamento TO-3, fiquei com os transistores
metlicos. E o encapsulamento totalmente
metlico mais eficiente na transferncia de calor. Alm do mais,
todos os transistores so originais RCA (um
deles fabricado no Brasil), de excelente qualidade e funcionam
bem, mesmo aps 30 anos guardados
A montagem destes transistores requer mos, ferramentas e peas
bem limpas, alm de pacincia e cuidado,
pois neste trabalho no so tolerados poeira e outros
contaminantes slidos.
-
Figura 41 Componentes para montagem dos
transistores TO-3.
Figura 42 Dissipador para um transistor TO-3.
Figura 43 Transistor TO-3 visto por baixo. O
coletor a parte metlica (carcaa).
Figura 44 Quantidade utilizada de pasta trmica
e esptula para espalh-la.
Figura 45 Pasta trmica depositada sobre a
carcaa.
Figura 46 Colocao da mica isolante.
-
Figura 47 Aplicao de pasta trmica na mica.
Figura 48 Montagem do transistor TO-3 no
dissipador.
Figura 49 Posicionamento da arruela isolante.
Figura 50 Parafuso montado no transistor TO-3,
sem ligao de coletor. A porca zincada.
Figura 51 Parafuso montado no transistor TO-3,
com ligao de coletor. A porca de lato, para
melhorar a condutividade e evitar oxidao.
Figura 52 Fixao do transistor TO-3 no
dissipador, antes do aperto dos parafusos.
-
Figura 53 Fixao do transistor TO-3 no
dissipador, aps o aperto dos parafusos. Observar
que a pasta trmica vazou pelos furos da mica,
junto dos terminais de base e emissor.
Figura 54 Aparncia do transistor montado.
Figura 55 Vazamento final de pasta trmica,
junto ao transistor e ao dissipador. prefervel que
no fiquem sobras excessivas, pois a pasta
mida e retm partculas.
As figuras acima mostram que a pasta trmica aplicada em pequena
quantidade, apenas suficiente para
realizar a funo de transferncia de calor. Muita pasta tem o
efeito contrrio e pode estar encobrindo alguma
partcula intrusa, que poder perfurar a mica ou afastar o
transistor do dissipador. No aconselhvel deixar
reas sem pasta trmica.
Aps a montagem dos transistores, necessrio aguardar algumas
horas e reapertar os parafusos, pois a
pasta trmica espalha-se lentamente para os lados, afrouxando o
aperto anterior. Este procedimento precisa
ser repetido mais uma ou duas vezes, sempre com algumas horas de
intervalo, para deixar os transistores
estveis e firmes.
-
Cada transistor tem seu dissipador individual, que foi unido aos
outros com dois perfis de alumnio. Estes
perfis contam com um lado arredondado, que deixa os contornos
suaves. Resultou num bloco de fcil
instalao, como mostram as figuras 57 a 74.
Figura 57 Montagem do conjunto, antes de
perfurar os perfis.
Figura 58 Montagem do transistor TO-220 no
dissipador.
Figura 59 O perfil externo de alumnio no faz
parte da fixao do transistor TO-220.
Figura 60 Mdulo de potncia antes da
montagem dos resistores.
Figura 61 Resistores de emissor com um dos
terminais enrolados.
Figura 62 Resistores de emissor com o fio
soldado.
-
Figura 63 Resistores de emissor com o primeiro
espaguete termorretrtil.
Figura 64 Resistores de emissor com o segundo
espaguete termorretrtil, que protege do contato
com superfcies condutoras.
Figura 65 Resistores de emissor montados no
mdulo de potncia.
Figura 66 Detalhe dos resistores de emissor
montados no mdulo de potncia.
Figura 67 Soldagem das ligaes do mdulo de
potncia concluda.
Figura 68 Mdulo de potncia sem a capa
protetora.
-
Figura 69 Mdulo de potncia com a capa
protetora.
Figura 70 Remoo dos cantos vivos do mdulo
de potncia.
Os transistores no so casados, tem pequenas diferenas de ganho
de corrente (beta). Eles ficaram numa
sequncia em que o ganho vai subindo conforme a altura de
montagem. Assim, o transistor que aquece mais
(menor ganho) ficar mais embaixo do que os outros. De certa
forma, isto ajuda a equilibrar a temperatura
de todos eles, pois pela conveco, o calor tende a subir para a
parte superior do bloco. Tambm por este
motivo que o TIP41C, substituto do BD241, foi montado na parte
inferior, na aleta mais distante do
dissipador (figura 58).
Figura 71 Passagem dos fios por debaixo dos
dissipadores.
Figura 72 Bloco de potncia durante montagem
no gabinete.
Figura 73 Posicionamento dos espaadores de
lato de 5mm, para elevar o bloco de potncia.
Figura 74 Aparncia final do bloco de potncia
montado no gabinete.
-
Os resistores de emissor foram isolados e protegidos com
espaguete termorretrtil e a fiao foi conduzida
em forma de chicote, atravs das abraadeiras tipo rabo de rato
(figura 67).
Para evitar que partculas caiam nos transistores, foi criada uma
capa de alumnio, como mostram as figuras
68 e 69. E as pontas dos dissipadores foram suavizadas, de modo
a minimizar as reas cortantes (figura 70).
Alm disso, o bloco ficou montado sobre arruelas grossas, com
espessura de 5mm, feitas em lato (mas que
poderiam ser de qualquer outro material resistente ao calor). O
distanciamento do bloco para o gabinete
ajuda a conveco natural e d espao para a fiao passar sem apertos
(figuras 71 a 74).
A conexo com a rede eltrica
No painel traseiro, fica a conexo da tomada CA da rede eltrica,
a chave 110-220V e o porta-fusvel. Optei
por utilizar uma tomada de 3 pinos macho, muito comum em fontes
de computador, ao invs de um cabo
ligado diretamente. Ela torna muito prtica a troca de cabos e
deixa a montagem mais limpa (figura 75).
Figura 75 Tomada padro IEC60320, modelo C14.
Esta tomada respeita o conjunto de normas IEC60320, que tratam
das interconexes de cabos de energia at
250VCA e esto em vigor desde a dcada de 1970. Na Wikipedia tem
um texto bem legal sobre o assunto,
com uma tabela ilustrando os vrios modelos existentes [15].
Nas referncias [16], [17] e [18] so mostrados diversos tipos de
tomadas IEC, com e sem filtro contra IEM
(interferncia eletromagntica EMI, em ingls). A Schaffner [19]
tem uma rea de downloads, com vrios
artigos tcnicos sobre filtragem de interferncias.
Em nosso caso, a tomada modelo C14 (com pinos macho), cuja
conexo fmea o plugue C13. Lembrando
que conectores macho sempre recebem energia e conectores fmea
fornecem energia. uma regra
bsica de segurana, que evita tocarmos em pinos energizados.
Minha preferncia era colocar uma tomada melhor, com
porta-fusvel, chave e at filtro de linha embutidos,
como as das figuras 76 e 77. Mas como o objetivo maior era a
reduo dos custos, aproveitei ao mximo o
estoque de peas na sucata. O painel traseiro ficou como mostram
as figuras 78 e 79.
-
Figura 76 Tomada Schaffner padro IEC com
fusvel e filtro de linha.
Figura 77 Tomada Schaffner padro IEC com
chave, fusvel e filtro de linha.
Figura 78 Gabinete pronto, visto por trs.
Figura 79 Detalhe da tomada CA, junto da chave
110/220V e porta-fusvel.
Figura 80 Fonte com o cabo CA construdo
especialmente.
Na bancada, as tomadas da rede eltrica para os instrumentos esto
bem perto deles, o que reduz a
necessidade de cabos longos. Por isto, esta fonte recebeu um
cabo retirado de computador, que utiliza 3 fios.
O cabo foi deixado bem curto, apenas o suficiente para ligar o
equipamento (figura 80).
O gabinete
O gabinete que eu pretendia reutilizar para montar a fonte
(figura 81) ficou muito pequeno para acomodar a
placa, o transformador e as conexes. A nica forma de montagem
possvel era coloc-la de cabea para
baixo, junto entrada de rede (figura 82).
-
Mas a perigosa proximidade dos 220VCA com os componentes da
placa me obrigou a construir um outro
chassis, j que o painel estava pronto. Infelizmente, no foi
possvel conseguir o alumnio anodizado que o
anterior utilizava, mas tudo bem.
Figura 81 A primeira opo de gabinete, junto aos mdulos Gradiente
e o quadro padro rack 19.
Figura 82 Proximidade da placa com a rede eltrica no gabinete
pequeno.
-
Figura 83 Diferena entre os gabinetes. O da esquerda de alumnio
anodizado incolor.
A figura 83 mostra a diferena entre os dois chassis: somente a
profundidade aumentou em 5cm, o resto
igual.
O padro rack
Percebe-se que a caixa da fonte est destinada para a montagem
num quadro do padrorack 19. Este
padro utilizado intensamente no mundo, principalmente em
instalaes profissionais de som e luz, em
informtica e na indstria. Refere-se s normas ANSI/TIA/EIA-310-D,
IEC 60297-1-2 e DIN 41414-7.
Ele consiste de uma largura padro mxima de 19 polegadas
(48,26cm) para os painis dos equipamentos e
utiliza a denominao U para unidade de rack. O chassis que tem 1U
de altura, mede 1 polegada e 3/4 na
vertical (o mesmo que 1,75 ou 44,45mm). Aspas, para quem no
lembra, indicam polegadas. Fiz uma
tabelinha simples, de 1U at 7U, para ajudar:
Figura 84 Tabela de alturas do padro rack.
A distncia entre os furos de fixao dos equipamentos para o padro
rack 19, na horizontal, de 18 1/4
(quase 46,3mm). Na vertical, a distncia entre os furos uma
repetio peridica de dois espaamentos
diferentes: 1/2 (12,7mm) e 3/4 (19mm). Isto costuma limitar o
posicionamento dos aparelhos, podendo
causar espaos vazios. Uma soluo para isso so os trilhos
verticais com porcas deslizantes, que so
posicionadas na altura desejada.
Quando um chassis tem metade da largura de 19, chamado de
half-rack (meio rack). H tambm o
padro rack de 23, que vi em uso num nobreak trifsico, de alta
potncia.
-
As unidades de rack so sempre medidas mximas, h uma folga
estabelecida de 1/32 (0,79mm) para
acomodar unidades adjacentes, segundo a Wikipedia [20] [21].
Como curiosidade, nas referncias [22] a [26] esto links de
fabricantes de chassis e componentes no
padro rack.
Voltando nossa fonte, se prestarmos ateno mais uma vez na figura
81, aparecem outros gabinetes,
menores, muito antigos, feitos pela Gradiente nos anos
1960-1970. Era um sistema de sonorizao ambiental
para prdios, muito verstil, composto de mdulos com funes
individualizadas. Isto possibilitava adequar o
projeto de sonorizao para os mais diversos portes.
Cada mdulo tem a largura de 5,9cm e no quadro cabem 7 deles. A
altura do quadro de 4U (17,8cm).
Estes mdulos mostraram-se muito versteis para outras
finalidades. Como no caso da bancada, que tem um
quadro destes e ir receber esta fonte e outros equipamentos,
conforme a necessidade.
A fonte ocupa 4 mdulos de largura, aproximadamente 22,3cm. Por
isto ela tem 8 furos no painel, metade na
parte superior e metade na parte inferior.
O painel
O painel foi um dos primeiros a ficar pronto, pois na poca eu j
tinha recebido os mostradores. Ele foi
projetado de maneira simtrica, para demarcar bem o lugar de cada
medidor. Tudo foi pensado de modo a
evitar qualquer confuso entre corrente e tenso. Tanto que as
letras V e A, que indicam a grandeza medida
em cada lado, so garrafais.
Ainda no me acostumei com a nova chave de fora, localizada no
meio do painel. Talvez por hbito, volta e
meia ela me confunde. Na fonte anterior ela estava no canto
superior esquerdo. J fui vrias vezes com o
dedo ali, para encontrar somente o frio alumnio
Quando projetei o painel, pensei deix-lo bem simples, s com o
essencial. Por exemplo, cogitei no montar o
circuito de compensao da tenso dos cabos de sada. Isto
economizaria alguns componentes, pois seriam
retirados R23, C11 e R24 e os 2 bornes adicionais. Mas pouca
economia, em vista do objetivo de dispor de
uma fonte de nvel profissional, com mais recursos do que as
encontradas habitualmente no comrcio.
Assim, mantive fidelidade ao projeto original. Por isto que cada
plo tem dois bornes, um para a sada da
energia e outro para o retorno da informao na ponta das garras
(Vsense). Entre estes quatro bornes, fica a
conexo de aterramento (borne verde), que s tem ligao com a
carcaa da fonte e com o fio terra do
plugue de energia eltrica. Mais tarde, pretendo instalar uma
chave que permita alterar a configurao do
circuito sensor, para poder utilizar cabos comuns.
O aterramento
Quem leu o recente post sobre aterramento, sabe como importante
os chassis metlicos ficarem conectados
ao terra. Lembrando daqueles casos e pensando sempre num
aparelho confivel e seguro, fiz uma ligao de
terra para o chassis da fonte, nos moldes das fontes de
computadores. Nas figuras 85 a 87, pode-se notar
que o parafuso de aterramento fixado com uma porca e arruela de
presso ao gabinete. O terminal do fio
terra que vai tomada da rede eltrica tambm tem sua prpria porca
e arruela, bem como a ligao ao
borne do painel frontal. uma forma de assegurar a passagem de
correntes fortes para a conexo de
aterramento.
A conexo da carcaa no tem qualquer ligao com o negativo da
fonte, pois considerei aqui a necessidade
de utilizar, obrigatoriamente, o fio terra.
-
Figura 85 Colocao do parafuso de aterramento, preso carcaa com
porca e arruela de presso.
Figura 86 Conexo do fio terra da tomada da rede eltrica.
Figura 87 Conexo do fio terra do borne do painel frontal.
-
A montagem
Uma montagem artesanal pode ser melhor ou pior que um aparelho
comercial, depende da qualidade do
projeto, dos componentes empregados e da qualidade da construo.
Este projeto da Elektor, em princpio,
tem tima qualidade, mas como garantir que tudo deu certo?
Inclusive, muitas peas utilizadas na fonte vieram da sucata, o
que traz dvidas quanto a confiabilidade e o
desempenho. De todo modo, no costumo guardar tudo que me chega,
sempre opto por componentes que
realmente podero ser teis ou que tem uma qualidade maior, como
os da linha industrial, que tem longa
vida til.
Os componentes foram escolhidos a dedo e testados um por um,
deixando uma confortvel margem de
segurana, para evitar que fossem utilizados prximos de seus
limites.
Figura 88 Diodos 6A8 antes da limpeza.
Figura 89 Limpeza do diodo com ferramenta construda com faca de
churrasco.
Figura 90 Diodos limpos e reestanhados.
-
As peas reusadas foram inspecionadas minuciosamente, para
garantir que suas conexes no dessem
problemas. Ocorre que, pelo tempo que ficaram guardados, vrios
componentes tiveram que ser limpos e
reestanhados, pois os terminais oxidaram. Por exemplo, os diodos
6A8 (figuras 88 a 90). Este chato trabalho
de limpeza foi recompensado, pois a fonte funcionou sem falhas,
desde o primeiro momento.
O nico problema foi uma inverso de diodo (rever figura 34),
percebida antes da energizao da placa e logo
corrigida.
Os ajustes de corrente e tenso mximos
Esta fonte necessita s de dois ajustes: a corrente e a tenso
mximas. Qualquer um poder faz-los, sem
problemas, basta dispor de um multmetro.
A corrente mxima alterada por R16, que fica em paralelo com R15
rever as figuras 24 e 40. O aumento
de R16 causa diminuio da corrente mxima. Em nosso caso, o valor
de R16 ficou em 7K5, para 4,2A
mximos. Para este ajuste, deve-se colocar a sada de alimentao em
curto-circuito, regular o potencimetro
de corrente para o mximo e ir trocando os valores de R16, at
encontrar a corrente de sada idealizada. Pode
ser colocado um ampermetro de 10A entre os plos positivo e
negativo para medir a corrente.
J a tenso mxima de sada ajustada por R4, que fica em paralelo
com R5. O valor de 33K ohm para R4
rendeu uma sada de 40,8V mximos. Para determinar a tenso mxima
de sada, deixar o potencimetro de
tenso e o ajuste fino totalmente no sentido horrio e ir trocando
R4 at encontrar o valor desejado da tenso
de sada.
Preferi utilizar resistores, como o projeto original indica, ao
invs de trimpots, por duas razes: preo e
confiabilidade. Resistores so mais robustos que os trimpots,
pois no empregam partes mecnicas que
podem falhar ao longo dos anos.
No artigo original, havia a calibrao para os medidores de tenso
e corrente, que agora so comprados
prontos e no foram utilizados no projeto desta placa. Se o
usurio quiser utilizar mostradores analgicos,
recomendo ler o artigo em questo [1].
Os testes
Foram feitos dois tipos de testes. O primeiro deles foi
comprovar o funcionamento, antes da montagem
definitiva. a montagem no estilo sanduche aberto (figura 91),
momento em que se fez os ajustes de
tenso e corrente mximas.
Nesta configurao, foi possvel atingir 45V na sada, com pouco
consumo de corrente. A corrente mxima
chegou a 4,8A, com tenso de 37V. Mas por precauo, ao montar
definitivamente a fonte, optei por limitar a
tenso mxima em 40V e a corrente a 4A. At para evitar estresse na
fonte, porque no adicionei nenhum
transistor de sada, alm dos 3 existentes no projeto original.
Eles j aquecem bastante a 4A, com esta
corrente necessrio ventilao forada.
O segundo teste utilizou uma carga dinmica, para comprovar a
estabilidade do circuito de regulagem da
fonte. Para isto, a Elektor ajudou novamente, atravs de dois
artigos. O primeiro texto [27], mais antigo, que
trata da utilizao do gerador de pulsos, sugere uma carga dinmica
com transistor BD139 (figura 92).
-
Figura 91 Montagem da fonte em sanduche aberto.
Figura 92 Carga dinmica para fontes de 5V, 2A. Fonte: Elektor
[27].
-
Figura 93 Carga dinmica para fontes de 12V, 4A, baseada em
Circuit Cellar [28].
J o texto publicado na Circuit Cellar [28], Testing Power
Supplies (Testando fontes de alimentao), que
tem a participao do renomado engenheiro Ton Giesberts, da
Elektor, mostra um circuito mais moderno, que
utiliza um transistor MOSFET para a mesma funo.
Nos dois circuitos, que so muito semelhantes, o controle do
chaveamento provm de um gerador de ondas
quadradas (gerador de udio). O transistor coloca (ou no) um
resistor a mais em paralelo com a fonte. O
consumo de corrente varia entre 90% e 10% da capacidade de
corrente da fonte, conforme ele esteja em
conduo ou em corte, respectivamente.
O primeiro circuito adequado para testar fontes de 5V. Utiliza
um transistor bipolar, que tem queda de
tenso importante e que deve ser considerada no clculo do
resistor de coletor.
J o esquema da figura 93 foi idealizado com base nas informaes
do artigo de Ton Giesberts. Ele foi
projetado para oferecer uma carga de 10% e 90% para 4A, sob
12VCC. Escolhi a tenso de teste de 12V de
modo a facilitar os testes para comparao com uma fonte de PC, de
alta capacidade.
Assim, para drenar 400mA de corrente (10%) em R1, foram ligados
em srie dois resistores (3,3 e 27 ohm),
num total de 25W. Para a carga de 80% (R2), foram utilizados
dois resistores em paralelo (18 ohm/10W e
4R7/25W).
A potncia destes resistores insuficiente para testes
prolongados, mas servem ao nosso propsito de
identificar o comportamento da fonte com cargas dinmicas. A
figura 94 mostra o dispositivo de teste da
fonte, conforme o esquema da figura 93. O transistor est montado
sobre um pequeno dissipador de
alumnio, que no aparece na foto, pois fica debaixo da placa de
fibra.
No foram utilizadas lmpadas incandescentes como carga, pois elas
alteram demais a resistncia quando aquecem o filamento. Isto
prejudica o comportamento do circuito, que utiliza diversas
frequncias de
chaveamento, pois deforma a onda vista no osciloscpio.
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Figura 94 Circuito de carga dinmica para teste de fontes.
Mediante adaptaes, este circuito poder testar fontes de qualquer
capacidade, especialmente as de
computadores. Para isso, poderia ser montado um circuito com
vrios transistores MOSFET, cada um com o
seu resistor. Os transistores MOSFET de at 100V de tenso de
trabalho, apresentam baixssima resistncia
entre dreno e supridouro (D e S), que permite o clculo direto do
resistor de dreno, sem considerar qualquer
queda de tenso.
A configurao das ligaes dos transistores poderia ser feita por
chave ou microcontrolador, colocando um ou
mais transistores em paralelo, de modo a oferecer uma carga
condizente com a capacidade da fonte sob
teste.
Para os testes, utilizei um gerador de udio, com sada de 10Vpp a
50 ohm de impedncia, em onda
quadrada, nas frequncias de 40Hz, 400Hz, 4KHz e 40KHZ. O
osciloscpio foi calibrado em 2V por diviso no
eixo vertical, em leitura AC (CA corrente alternada). O eixo
horizontal foi ajustado para sempre exibir 1 ciclo
e meio na tela, conforme a frequncia vai subindo: 200ms, 20ms,
2ms e 0,2 milissegundos (200uS).
O comportamento da fonte observado na tela do osciloscpio.
Lembrando que o eixo vertical (Y) da tela
mostra a amplitude do sinal (2 Volt em cada quadrinho ou
diviso). O eixo horizontal (X) exibe o tempo, que
medido em milissegundos (mS) ou microssegundos (uS), conforme o
caso. Um segundo igual a 1000
milissegundos.
As figuras 95, 97, 99 e 101 apresentam o comportamento da fonte
nas frequncias citadas, comeando pela
mais baixa. J as figuras 96, 98, 100 e 102 mostram as mesmas
condies, com a incluso de um capacitor
de 470uF em paralelo com a carga dinmica.
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Figura 95 Oscilograma 40Hz, sem capacitor.
Figura 96 Oscilograma 40Hz, com capacitor.
Figura 97 Oscilograma 400Hz, sem capacitor.
Figura 98 Oscilograma 400Hz, com capacitor.
Figura 99 Oscilograma 4KHz, sem capacitor.
Figura 100 Oscilograma 4KHz, com capacitor.
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Figura 101 Oscilograma 40KHz, sem capacitor.
Figura 102 Oscilograma 40KHz, com capacitor.
Conforme o segundo artigo sobre o teste de fontes de alimentao
[28], a frequncia de avaliao pode variar
bastante. Isto ajuda a enxergar para qual tipo de uso a fonte
mais apropriada. Podemos perceber que
quando colocamos um capacitor eletroltico na sada, o
comportamento melhora bastante, para quaisquer
frequncias.
Foram feitos testes com uma fonte de PC (Bestec ATX-300-12Z
FDR), que comportou-se melhor (figuras 103
a 105), mas devemos observar que ela trabalhou sob vrias condies
vantajosas. As principais:
a tenso de sada de 12V fixos, o que facilita o controle, pois o
projeto todo em funo deste valor;
o circuito muito compacto, com fiao curta, o que melhora a
velocidade de resposta;
a capacidade de corrente amplamente maior (19A), com isso a
carga no conseguiu atingir 90% da
corrente mxima e no estressou a fonte.
Figura 103 Oscilograma 40Hz, sem capacitor.
Figura 104 Oscilograma 400Hz, sem capacitor.
Figura 105 Oscilograma 4KHz, sem capacitor.
Figura 106 Oscilograma 40KHz, sem capacitor.
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Mas nem tudo perfeito. Notei que o comportamento da fonte de PC
mudou radicalmente conforme a bitola
do fio de conexo da carga. Fios muito finos (daquelas garras
jacar prontas, vendidas em mao) estragaram
completamente a estabilizao, chegando a formar uma onda quadrada
(figura 107) de 4Vpp. Ou seja, a
tenso da fonte variou 4V, conforme a carga era ligada ou no.
Mesmo a adio do capacitor de 470uF no
ajudou muito (figura 108), inclusive tendeu a oscilar em
frequncias maiores.
Figura 107 Alterao da tenso sobre a carga,
com cabos finos na fonte de PC, frequncia de
teste 40Hz.
Figura 108 Alterao da tenso sobre a carga,
com cabos finos na fonte de PC e capacitor de
470uF em paralelo com a carga, frequncia de
teste 40Hz.
A fonte montada no to rpida quanto a fonte de PC, por isto
ocorre o pico inicial da sada, at a
estabilizao com a carga de 90%. Na verdade, o pico o mesmo em
todas as imagens, s que conforme
aumenta a frequncia, ele fica mais alargado. Ele se estende por
aproximadamente 100uS e soma 12V
tenso de alimentao, com a carga chaveando em 40KHz (pior caso).
E seria minimizado se a tenso de
entrada do circuito de estabilizao no fosse to diferente da
tenso de sada.
Assim, pode no ser grande vantagem uma fonte que consiga
entregar de 0 a 40V, talvez um pouco menos
fosse melhor. Provavelmente, por isto que a faixa de tenses mais
comum em fontes comerciais de 0 a
30VCC. Outra opo, seria fazer a sada escalonvel, como por
exemplo 0 a 15V e 10 a 30VCC, atravs da
troca de secundrios do transformador.
possvel que, dotando o estgio de potncia de transistores mais
novos, com maior ganho e aptos a
frequncias mais elevadas, este problema seja minimizado.
Ou mesmo reprojetando o circuito impresso, cuidando para evitar
fiao longa que possa aumentar
indutncias e capacitncias parasitas. Correntes muito altas
exigem mais transistores e impe maiores
dificuldades para o controle deles, pois a capacitncia das junes
a serem comandadas aumenta, o que
causa lentido na resposta a transientes.
Figura 109 Teste do circuito de carga dinmica em uma bateria de
12V, 7Ah, completamente carregada.
Tambm fiz um teste com uma bateria de 12V, prpria para
alarmes.
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Idealmente, o chaveamento da carga no deveria exercer qualquer
influncia sobre a tenso de alimentao,
mas no o que ocorre na prtica. Nem numa bateria nova e carregada
(com impedncia muito baixa), com
capacidade de 7Ah, o comportamento ideal (figura 109). Pode-se
notar que, momentaneamente, a bateria
entrega carga uma tenso maior que os 12V
interessante observar que na figura 109 o osciloscpio est
medindo em CC (DC), ao contrrio das outras
telas vistas at agora. A linha mais inferior da tela serve de
referncia de 0 Volt, sendo que o eixo vertical
est ajustado em 5V por diviso.
O pico, de aproximadamente 9V acima da tenso de 13,8V, mantm-se
por cerca de 50uS. Neste pequeno
instante, a bateria chega a entregar perto de 22V!
O comportamento da tenso com a bateria piora (aumenta a
amplitude das imperfeies da onda) se os cabos
forem mais finos. Com isso, percebe-se a importncia de respeitar
certos limites de comprimento e bitola dos
cabos.
Precaues em projetos
Os testes aqui evidenciam a necessitade de controlar o excesso
de tenso de alimentao em circuitos
sensveis, pois podem originar erros nas tarefas que deveriam
desempenhar ou diminuio da vida til do
aparelho/componente, principalmente quando h mudanas bruscas no
consumo de energia. Um exemplo
tpico so os frequentes erros e falhas do sistema operacional, em
computadores com fontes de m qualidade.
Outro, o acionamento de LEDs em fiaes muito longas, que podem
causar sua queima.
Uma forma eficiente de diminuir o problema nos projetos que o
controle de esprios e a adequada filtragem
sejam feitos o mais prximo possvel da carga. Se os cabos forem
muito longos entre a alimentao e a
carga, um estgio adicional de filtragem obrigatrio.
Figura 110 Circuito de equalizao do amplificador de udio
integrado com pr-amplificador Gradiente Model
366. Em destaque, os componentes utilizados para filtrar a
alimentao deste estgio.
Em circuitos simples, um resistor (ou indutor, conforme o caso)
de valor adequado no ramo positivo,
acompanhado de um capacitor eletroltico para filtragem, podem
fazer muita diferena para a estabilidade de
funcionamento. Se forem colocados dois capacitores, um antes e
outro aps o resistor ou indutor, est
formada a conhecida (e eficaz) rede Pi de filtragem. A filtragem
adicional uma tcnica muito utilizada em
udio, para evitar interferncia da etapa de potncia nos estgios
de pr-amplificao (componentes em
destaque na figura 110).
Varistores ou diodos zener, colocados na linha de alimentao,
tambm podem ajudar nesta limitao. A
tenso de ativao deles deve ser pouco maior que a de alimentao,
para ficarem invisveis, at o surto
aparecer e ser absorvido. Uma apostila interessante sobre o uso
de varistores da Siemens [29].
A aparncia final
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Na figura 111, aparecem todas as peas juntas, antes da montagem
no gabinete. A placa de circuito impresso
foi montada sobre tocos de mangueira plstica, que serviram como
espaadores, sobrepostos a uma chapa de
fibra isolante (figura 112), de modo a evitar qualquer problema
de curtos-circuitos. A fibra um carto
grosso, utilizado em oficinas que enrolam motores eltricos.
Nos furos de fixao da placa de circuito impresso (figura 113),
percebe-se que os parafusos no conseguem
tocar o cobre das trilhas. que o furo escareado levemente, para
que exista no seu entorno uma rea
isolada. Junto com um espaador feito de material isolante, o
isolamento fica garantido. Utilizo esta tcnica h
mais de 30 anos, nunca deu um s defeito. Mas tambm nunca foi
utilizada para tenses acima de 100VCC.
Figura 111 Peas da fonte, antes da montagem.
Figura 112 Detalhe da placa de fibra colocada embaixo da placa
de circuito impresso.
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Figura 113 Detalhe do furo da placa, com o parafuso utilizado
para a montagem.
Na maioria das fotos anteriores, os knobs que aparecem so de
alumnio, mas eu no estava contente com
este visual. Eu j tinha um knob pequeno de baquelite, da Joto.
Numa loja de eletrnica, encontrei dois
antigos knobs do mesmo fabricante, tambm de baquelite. O visual
definitivo aparece na figura inicial do
artigo.