FONTE DE ALIMENTAÇÃO SIMÉTRICA LINEAR

About: Técnico em Eletrônica. Desenvolvedor C / C ++. Ciência da Computação. Apaixonado por música, tecnologia e pelas belas histórias da vida.

Uma fonte de alimentação para eletrônica é um instrumento indispensável para qualquer engenheiro, técnico, hobista ou qualquer outro profissional que trabalhe com circuitos eletroeletrônicos. Quando estamos montando um espaço de trabalho, é o primeiro a ser levado em conta, mas muitas vezes a qualidade deste equipamento não recebe a devida atenção. Apesar do grande avanço das fontes chaveadas nos últimos tempos, as fontes de arquitetura linear ainda são mais atreladas à bancada, devido a fatores como qualidade de energia, manutenção mais acessível e projetos mais simples. Por outro lado, além de possuírem um preço mais alto, as lineares apresentam maior peso e tamanho, mas isto normalmente não costuma ser um problema para o uso em bancada.

Em alguns projetos mais antigos, o ponto fraco das lineares estava na ausência ou na ineficiência dos circuitos para a proteção contra curto circuito e sobrecarga, mas ao longo do tempo esses problemas foram resolvidos. Hoje em dia, o mercado dispõe de fontes criadas por empresas como BK Precision, Agilent, Keysight e TDK Lambda. Algumas marcas possuem um preço bem elevado, mas a qualidade não deixa nada a desejar. Há também outras marcas presentes no mercado que possuem bons projetos, mas é preciso ficar atento na diferença entre o produto que é anunciado e o produto que é realmente entregue ao consumidor. Com o objetivo de atrair o usuário, muitas marcas apresentam valores técnicos exorbitantes para seus produtos. De fato, estes valores normalmente são verdadeiros, mas apenas em determinadas situações, pois a realidade na maioria das vezes é informada através das pequenas letrinhas, de forma a esconder ao máximo os pontos fracos do produto de um possível cliente.

Por exemplo. Um dia precisei testar um ventilador de maior potência em uma fonte linear que informava-se de 0 a 30V / 5A. A tensão do ventilador era 24VDC, e sua corrente de trabalho 3.5A. Teoricamente, esta fonte atenderia a aplicação com uma boa margem de sobra, mas ao selecionar a tensão de trabalho (24V) e conectar a carga, os 24V caíram para 11V, não suportando a potência de trabalho exigida pelo ventilador. Além disso, há muitos projetos de fontes populares no mercado que não possuem proteções contra ruídos. Isto é muito ruim, pois em um laboratório de eletrônica essas fontes são submetidas a diferentes tipos de carga. Por isso, é bom ficar atento ao produto que está comprando.

O projeto descrito aqui apresenta uma fonte linear bem versátil e dinâmica. Dificilmente encontra-se esta combinação de fonte simétrica + assimétrica disponível no mercado. Todos os arquivos necessários para a construção do equipamento estão disponíveis para download, incluindo hardware e software. Apesar de apresentar um bom rendimento dentro de seus limites, a fonte foi projetada para trabalhar com circuitos de baixo consumo, que não exijam muito além de 1A.

A fonte apresenta as seguintes especificações:

- 1 saída regulável de 1.25 á 26VDC / 1A com alto rendimento e proteção contra curto circuito e sobre-carga, ambas microprocessadas.

- 1 saída simétrica fixa de + 5VDC e -5VDC / 1A com alto rendimento e proteção contra curto circuito e sobre-carga.

- 1 saída simétrica fixa de + 12VDC e -12VDC / 1A com alto rendimento e proteção contra curto circuito e sobre-carga.

Durante a descrição, mais detalhes importantes serão abordados por aqui.

A estrutura de hardware é dividida em 10 partes, são bem simples e fáceis de entender. A partir de agora, abordaremos cada uma delas apontando sua função, suas características e a sua importância como um todo.

Step 1: POWER SUPPLY VAC

A primeira etapa se resumi a entrada de energia alternada, que irá alimentar todo o equipamento. Neste processo foi usado um circuito para seleção de tensão através de uma chave seletora, onde o usuário seleciona a tensão de rede que será usada pelo equipamento, 127 V ou 220 V. Este circuito simplesmente realiza a troca das espiras do transformador, onde será aplicada a tensão da rede.

Step 2: FILTERS AND PROTECTIONS

Neste segundo estágio, um circuito com filtro e proteção é inserido entre a rede e o transformador. Como filtro, temos um capacitor supressor classe-X em paralelo com uma fase / neutro. Sua função é amenizar a interferência RFI ( Interferência por Rádio Frequência ), impedindo que os transientes gerados por essas interferências cheguem até o equipamento. Este tipo de capacitor varia a sua impedância na medida em que a freqüência do sinal aumenta. Quando frequências mais altas surgem pela rede, tendenciosamente o capacitor se transforma em um curto circuito, eliminando os ruídos indesejáveis.

Como proteção, temos um varistor e um fusível térmico. O varistor é responsável por proteger o equipamento de um possível pico de tensão na rede elétrica. Já o fusível térmico, tem o objetivo de proteger o equipamento caso a temperatura interna ultrapasse o limite máximo, que é de 85ºC. Isto pode acontecer em uma falha nos ventiladores por exemplo.

Resumidamente, temos 3 componentes neste circuito: capacitor supressor, varistor e fusível térmico. O circuito apresenta 2 unidades de cada componente, uma para operação em 127V e outra para operação em 220V.

Step 3: TRANSFORMER

Para abaixar a tensão recebida pela rede, foi usado um transformador que como já dito anteriormente suporta tanto 127 VAC quanto 220 VAC. Volto a lembrar que é necessário realizar o chaveamento das suas espiras para alterar a tensão em sua entrada, seguindo as combinações que normalmente são descritas pelo fabricante no corpo do transformador. Na saída do mesmo, temos um 12 + 12 VAC.

Por se tratar de uma fonte linear simétrica, é necessário que no secundário do transformador contenha um ponto de Center Tap, mais conhecido como Derivação Central. Este ponto será responsável por separar a parte positiva e negativa das fontes simétricas em todo o circuito. Portanto, na hora de adquirir o transformador não esqueça de observar estes detalhes.

Outro ponto muito importante na escolha de um transformador é sua capacidade de conduzir corrente. Normalmente, quanto maior a corrente suportada, maior é o seu tamanho físico. Quando este componente está atuando em seu limite, ou seja, conduzindo a máxima corrente suportada por ele, sua tensão no secundário começa a cair por conta do equilíbrio de potência, indicando que ele não suporta conduzir toda a corrente atual. A informação de corrente máxima também é comumente disponibilizada pelo fabricante no corpo do transformador. Caso este dado não esteja disponibilizado é possível descobrir realizando testes de carga.

Quando estamos falando de desenvolvimento de hardware, é necessário ficar atento a condições de margem de segurança. Ao usar um capacitor que suporta até 25 VDC em uma situação onde está sendo aplicado em seus terminais uma tensão constante de 24 VDC, é bem provável que a longo prazo este componente traga problemas para seu hardware. Se você quer evitar futuros problemas, sempre trabalhe com uma margem considerável. Também não é necessário fazer um superdimensionamento, use o bom senso e tudo ficará bem.

Com os transformadores também não é diferente. Ao adquirir um transformador com saída de 12 + 12, não necessariamente você terá esta tensão exata em seu secundário. Meça suas saídas antes de realizar os demais cálculos, pois há fabricantes que ultrapassam este valor em mais de 10%, tanto para baixo quanto para cima. O equipamento descrito aqui foi projetado para fornecer em suas saídas uma corrente de no máximo 1,25A. Isso significa que é necessário um transformador que suporte mais de 1A, ou seja, não use um transformador para 1A, use um transformador para 2A.

A carcaça do transformador foi aterrada, e além disso, foi inserida uma mica isolante em sua parte superior, para evitar um possível contato com o dissipador de calor isolado que está localizado em cima do transformador. E extremamente importante observar estes detalhes.

Step 4: RETIFICATION AND FILTER

Esta etapa do circuito é muito importante, ela é responsável por retificar e filtrar a tensão alternada oriunda do transformador, e também dar origem a uma tensão média contínua, que posteriormente irá alimentar todos os reguladores do circuito. No processo de retificação foi usada uma ponte retificadora RS 407. Esta ponte tem uma baixa queda de tensão direta (+/-1V) e uma boa robustez, suportando até 4A / 1000V.

Um dos maiores desafios ao projetar uma fonte linear de saída múltipla usando um transformador que contém apenas um nível de saída, é encontrar uma tensão média que consiga fornecer a maior saída de tensão (26 VDC) e ao mesmo tempo a menor saída de tensão (5 VDC) sem esquentar excessivamente os reguladores. O pensamento de ''quanto mais capacitância melhor'' é totalmente equivocado, pois quanto maior a capacitância, maior a tensão média que alimenta os reguladores, podendo gerar dissipação excessiva nos mesmos. Para chegarmos a tensão média ideal, é necessário descobrir primeiro qual a tensão de ondulação. Todos os cálculos estão disponíveis em anexo.

Logo depois dos capacitores de filtro, foram inseridos terminais para medição da tensão média que alimenta os reguladores, um ponto positivo, um ponto negativo e um ponto comum (Center tap). Os dois resistores que estão em paralelo com o banco capacitivo possuem a função de descarregar os capacitores quando a fonte for desligada. Por possuírem uma alta resistência, a corrente que circula por eles quando a fonte está ligada é insignificante.

Step 5: SYMMETRICAL SOURCE

Depois do banco de capacitores e de uma tensão média ideal, temos as fontes simétricas (+5/-5 e +12/-12). Para uma proteção mais eficiente essas fontes simétricas possuem fusíveis dedicados somente a elas, um fusível para o positivo e um fusível para o negativo, ambos na entrada dos reguladores de tensão.

Para atenuar possíveis ruídos, cada regulador de tensão possui filtro capacitivo em sua entrada e saída. Os valores de capacitância destes filtros foram indicados pelo fabricante e podem ser consultados no datasheet dos reguladores. A dissipação de calor destes componentes é feita através de um único dissipador, portanto todos os encapsulamentos devem ser isolados com uma mica ou outro material usado para este fim. Há também um ventilador dedicado somente a esta fonte simétrica, ele fica localizado na parte superior do dissipador, que é resfriado constantemente pelo mesmo. Esta ventilação forçada é muito importante para manter os reguladores trabalhando dentro da faixa ideal de temperatura, caso ela esteja ausente as tensões simétricas podem cair consideravelmente mediante a uma carga que exige uma alta corrente. Tente usar reguladores originais de um bom fabricante, isto faz diferença na capacidade de dissipar calor. Observe atentamente a espessura das chapas de dissipação na traseira dos reguladores, em geral, reguladores com chapas finas não são confiáveis.

Step 6: CURRENT SENSOR

A saída de tensão variável da fonte assimétrica possui uma proteção controlada por um microcontrolador, que ao identificar um curto circuito ou uma sobrecarga realiza a abertura do circuito de potência da fonte, impedindo danos a ela e ao circuito ligado a ela. Neste processo, foi usado um sensor de corrente invasivo, o ACS712 da Allegro. Em série com o circuito, ele é responsável por identificar a quantidade de corrente na saída da fonte e posteriormente enviar a resposta para o microcontrolador. Para medir a corrente, este dispositivo faz uso da tecnologia de efeito hall e possui uma boa linearidade, o que o torna muito útil para aplicações de monitoramento de corrente por um bom custo benefício. O ACS712 possui sub-modelos, para medições até 5A, 20A e 30A. Nesta aplicação a corrente máxima a ser medida é em torno de 1.5A, portanto use o modelo 5A, pois ele possui uma saída de tensão mais adequada para esta finalidade. Entre outras caraterísticas, o ACS712 é um sensor barato (US$ 7) e fácil de encontrar. Confira mais informações relevantes no datasheet do fabricante.

Step 7: SWITCH

Quando o sensor de corrente descrito anteriormente identifica uma sobrecarga ou curto circuito, imediatamente o circuito de potência da fonte é desligado através da abertura dos contatos fechados de um relé, que impede a passagem de corrente desabilitando a saída da fonte. Há a possibilidade de que uma sobrecarga ou curto circuito não ocorra por um longo tempo, e pensando nesta situação é comum que este tipo de relé cole os contatos quando não acionado por um longo período, por isso, foi criado um recurso através do firmware que abre e fecha os contatos do relé várias vezes assim que o equipamento é energizado, evitando assim que o relé esteja colado quando seu uso estiver sendo realmente necessário.

Step 8: ADJUSTABLE SOURCE

A saída variável da fonte possui ajuste fino e ajuste grosso, sendo possível variar a tensão de saída entre 1.25 á 26 VDC com boa precisão. O regulador de tensão usado para este processo foi o LM317T, que suporta até 1.5A em um encapsulamento TO-220. O dissipador de calor possui uma ventilação forçada através de um cooler, o que é essencial para manter a temperatura de trabalho do regulador dentro da faixa de operação permitida. Observe que o dissipador está isolado da carcaça do equipamento através de dois espaçadores de nylon, pois o encapsulamento do LM317T não possui isolação, sendo necessário fazê-lá conforme a aplicação. Outro ponto importante a ressaltar é o uso da pasta térmica, não deixe de usá-la na parte inferior do regulador. Esta é a principal saída de tensão do equipamento, por isso ela possui uma chave liga/desliga somente para ela, a fim de dar mais usabilidade ao usuário. O display usado no equipamento é um módulo voltímetro/amperímetro responsável por exibir a tensão e corrente de saída apenas da fonte variável, e todas as informações necessárias para sua ligação estão anexo.

Esta saída de tensão possui dois ajustes de limite de corrente que podem ser selecionados através dos botões 1A e 0.5A, tornando este recurso mais adequado a aplicação em que o equipamento está sendo usado. Além dos botões de limite, há também o botão de RESET, que possui a função de reiniciar a saída da fonte após uma possível ação de proteção. O potenciômetro azul localizado no PCB próximo ao regulador de tensão serve para calibrar a tensão máxima de saída, que para um funcionamento correto, deve ser sempre próximo de 26 VDC.

Step 9: MICROCONTROLLER

A inteligência de todo o sistema está locada em um PIC16F676, que o tempo todo está lendo o sensor de corrente e os botões de limite. Este pequeno microcontrolador de 8 bits da Microchip possui 12 I/O, quantidade de pinos suficiente para atender perfeitamente a aplicação ocupando um pequeno espaço em hardware. Além de recursos básicos como Power-up Timer (PWRT) e Brown-out Detect (BOD), ele também conta com recursos para proteção de código (CP) e proteção de dados (CPD), todos estes usados nesta aplicação. Já a memória de programa do dispositivo é relativamente pequena (1024 words), porém mais que o suficiente para suportar o código da aplicação, que também é relativamente pequeno (558 words).

O relé de interrupção da potência, o buzzer e os leds de indicação, todos são acionados pelo microcontrolador. Os leds são acionados de modo direto, consumindo a corrente do próprio dispositivo. Já o buzzer e o relé possuem um optoacoplador como interface, ambos não utilizando a corrente do microcontrolador.

Step 10: AUXILIARY POWER SUPPLY

O sistema de controle comandado pelo PIC16F676 possui uma fonte independente e dedicada somente a ele, desta forma, possíveis problemas no circuito de potência do equipamento não paralisam o monitoramento do sistema, permitindo que o microcontrolador continue operando normalmente sem sofrer algum tipo de dano.

O uso de uma fonte exclusiva ao sistema de controle torna o processo de proteção muito mais rígido e confiável, até mesmo o buzzer e os coolers fazem uso desta fonte exclusiva, fazendo com que o circuito de potência alimente apenas o circuito externo em que o usuário deseja trabalhar.

A HLK-PM01 da HI-LINK é uma fonte encapsulada ultra compacta que fornece 5 VDC / 600mA em sua saída. Com um sistema step-down, o módulo é bivolt (100 a 240 VAC) e já possui proteção interna contra curto-circuito, tornando-se ideal para este tipo de aplicação em que a carga faz uso de um baixo consumo de energia. Além de um fusível de 500mA exclusivo para esta fonte, foi aplicado em paralelo com sua saída um capacitor eletrolítico de 470uF, que possui a função de filtrar possíveis ruídos gerados pelo próprio dispositivo.

Step 11: CONSIDERATIONS AND PHOTOS

Depois de finalizado o projeto, tenho utilizado o equipamento com certa frequência enquanto escrevo sobre ele. Algumas alterações foram realizadas, principalmente no firmware, mas todas elas já descritas aqui. Durante este processo de testes, algumas implementações de segurança foram executadas, como por exemplo, uma mica isolante na parte superior do transformador aterrado, evitando o contato do mesmo com o dissipador isolado acima. Outro detalhe importante e que afeta diretamente a eficiência da proteção, é a proximidade entre o sensor de corrente e o transformador. Se este sensor estiver próximo do transformador, pode ocorrer ruídos indesejáveis no mesmo, ocasionando disparos não planejados no relé de abertura do circuito de potência. Utilizando o bom senso, tente manter esta dupla bem afastada, e não haverá problemas. Certifique-se de que os bornes de saída do equipamento estejam bem isolados da carcaça, caso esteja utilizando um case de material condutivo.

Estou sempre trabalhando com circuitos de baixo consumo, portanto, esta fonte de bancada tem sido muito útil no meu laboratório, e espero que também seja útil para você. Todos os documentos do projeto estão disponibilizados em anexo, e caso haja alguma dúvida meu e-mail está disponível para esclarecimentos (brenoemanuelsilvestre@gmail.com).

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