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POTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação
Geraldo Dias Alves Júnior Jonathan Natalício Gandra
FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM CI 723
Belo Horizonte 2013
Geraldo Dias Alves Júnior Jonathan Natalício Gandra
FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM CI 723
Trabalho apresentado à disciplina de Laboratório de Eletrônica Analógica II, do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Orientador: Paulo Jose da Costa Cunha
Belo Horizonte 2013
RESUMO
Este relatório vem apresentar um trabalho prático realizado por alunos do curso de Engenharia
Eletrônica e de Telecomunicação da PUC Minas, que executaram, com a orientação da
disciplina de laboratório de eletrônica analógica II, estudos que posteriormente resultaram em
um projeto teórico e prático de uma fonte de alimentação regulável, com saída variável e
proteção contra curto-circuito, utilizando-se de um CI 723. Neste projeto foram seguidas as
orientações pré-estabelecidas pela disciplina visando padronizar as especificações para o
funcionamento do projeto, que teve como objetivo proporcionar aos alunos a oportunidade de
aplicarem vários conhecimentos adquiridos ao longo da caminhada acadêmica. São elas: obter
uma tensão de saída variando entre 4V a 12V, com um fator de ripple de no máximo 1% e
corrente de 1A, tendo uma proteção contra sobrecorrente em 1,2A. Desta forma puderam
alcançar um conhecimento maior do universo da eletrônica.
Palavras-chave: Fonte Regulável. Amplificador Operacional. CI 723.
ABSTRACT
This report is to present a practical work for students of Electronics and Telecommunication
Engineering at PUC Minas, who performed with the guidance of the discipline of analog
electronics lab II studies that subsequently resulted in a theoretical and practical design of a
source power adjustable, with variable output and protection against short-circuit, using an IC
723. In this project we followed the guidelines established by the pre-discipline to standardize
the specifications for the operation of the project, which aimed to provide students the
opportunity to apply various knowledge gained along the way academic. They are: to obtain
an output voltage ranging from 4V to 12V, with a ripple factor of 1% and a maximum current
of 1A, with an overcurrent protection in 1.2 second. This way they could achieve a greater
understanding of the world of electronics.
Keywords: Power Adjustable. Operational Amplifier. CI 723.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 6
2. DESENVOLVIMENTO ..................................................................................................................... 7
2.1 Fonte não regulada ........................................................................................................................ 7
2.2 Circuito regulador de tensão com CI 723 ...................................................................................... 9
2.2.1 O CI 723 ................................................................................................................................. 9
2.2.2 Premissas do projeto ............................................................................................................ 11
2.2.3 Memória de Cálculos ........................................................................................................... 11
2.2.3.1 Calculo do R1 e R2 ....................................................................................................... 13
2.2.3.2 Calculo de R3, R4 ......................................................................................................... 14
2.2.3.3 Escolha do Transistor de Potência (Q1) ........................................................................ 15
2.2.3.4 Calculo do dissipador de calor, para Q1 ........................................................................ 16
2.2.3.5 Calculo do resistor de proteção contra sobrecorrente (Rsc) .......................................... 17
2.2.4 Especificação e Lista de Materiais ...................................................................................... 17
2.2.5 Simulações ............................................................................................................................ 17
2.2.6 Montagem ............................................................................................................................. 17
2.2.7 Testes .................................................................................................................................... 17
3. CONCLUSÃO .................................................................................................................................. 18
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 19
ANEXOS............................................................................................................................................... 20
1 INTRODUÇÃO
Atualmente é difícil imaginar a vida sem a energia elétrica. É ela que nos proporciona
a utilização de aparelhos eletroeletrônicos, que, por sua vez, nos trazem maior comodidade e
conforto para os nossos lares, escritórios, e outros lugares. A verdade é que a energia elétrica
se tornou indispensável para a humanidade contemporânea. Esta afirmação é confirmada ao
observarmos em nossa volta a quantidade de produtos que nos são importantes e que são
movidos por essa energia. São celulares, notebooks, tablets, aparelhos de som, etc.
Essa energia chega em nossos lares graças a um sistema grandioso de distribuição e
fornecimento, promovido pelas concessionárias, como é o caso da CEMIG (Companhia
Energética de Minas Gerais). Essa energia é impulsionada através das grandes tensões que se
apresentam nas redes de distribuição com um sinal alternado senoidal, tendo como forma de
onda, hora sendo positiva, hora sendo negativa. Aqui no Brasil, essas “formas de ondas” são
padronizadas para as residências, sendo fornecidas em 220 Vrms ou 110 Vrms, com uma
frequência de 60 Hz.
Como os aparelhos eletroeletrônicos funcionam com tensões bem abaixo das que são
fornecidas nas tomadas das residências e com sinal contínuo, faz-se necessário a utilização de
fontes para converterem estes sinais. Sua função é de baixar a tensão e retificar a onda
senoidal que chega pela rede. Mas como cada aparelho demanda um tipo de tensão e/ou
corrente diferente, é necessário projetar, para cada caso, uma fonte diferente que o atenda.
Em casos particulares, como por exemplo, nos laboratórios de eletrônica, como há a
necessidade de se trabalhar com diversos níveis de tensão, é inviável a construção e/ou
utilização de um equipamento para cada caso. Para estes e outros casos similares, existem
equipamentos capazes de se regular a tensão fornecida, de forma a atender ao necessário. São
as fontes de tensão reguláveis.
Neste relatório o que se vê é o projeto de um exemplo de fonte de alimentação
regulável, variando a tensão de saída de 4V a 12V, utilizando-se de um CI 723, obtendo uma
corrente máxima de saída de 1A e com proteção contra sobrecorrente em 1,2A. Tal projeto
alcançou um limite máximo de ripple de 5%.
2. DESENVOLVIMENTO
Este trabalho que consiste no projeto de uma fonte de alimentação com CI 723 é, na
prática, a continuação e aperfeiçoamento de um projeto de uma fonte retificadora de onda
completa com filtro capacitivo, o qual se faz parte fundamental deste projeto. A seguir é
apresentado um diagrama em blocos demonstrando resumidamente o circuito a ser construído:
Figura 1 – Diagrama em blocos do circuito
Fonte: Orientações de trabalho – Disciplina de Laboratório de Analógica II
Sendo assim este relatório vem priorizar as informações pertinentes ao regulador. Mas
antes é demonstrada uma breve descrição referente à fonte não regulada.
2.1 Fonte não regulada
A fonte não regulada, também chamada como retificador de onda completa com filtro
capacitivo, consiste na utilização de um transformador abaixador de tensão que foi
dimensionado para atender à necessidade do circuito. Em seguida é utilizado diodos em forma
de ponte para a retificação do sinal senoidal. E um capacitor para filtragem do sinal já
retificado, para diminuir as oscilações ainda presentes no sinal. Em resumo esta parte do
projeto pode ser interpretada pela figura 2.
Figura 2 – Diagrama em blocos do circuito não regulador
Fonte: Orientações de trabalho – Disciplina de Laboratório de Analógica I
A função deste circuito é abaixar a tensão e transformar o sinal alternado fornecido
pela concessionária de energia em um sinal contínuo, que por sua vez é utilizado por
equipamentos eletrônicos.
Para o projeto da fonte não regulada, foi utilizado como metodologia para o
dimensionamento dos componentes, as curvas de Schade. Ferramenta que se demonstrou
bastante eficaz para encontrarmos valores aproximadamente ideais. Utilizou-se também como
auxilio e material didático o livro de Eletrônica Fundamental, do professor Telmo Zenha, da
PUC Minas.
Depois de efetuado cálculos, foram especificados e utilizados os seguintes
componentes principais:
• 1 Transformador 110/220V:16V, 3A;
• 4 Diodos 1N4007;
• 1 Capacitor 3300µF;
Após confeccionado o projeto em placa de circuito impresso, efetuou-se testes, dos
quais obtiveram os seguintes resultados:
Vo sem carga = 21,7V
Vo com carga de 15Ω = 16,7V
Io com carga de 15Ω = 1,02A
Fator de ripple = 4,79%
Os valores encontrados estão dentro das expectativas e atendem as premissas para o
projeto do regulador de tensão. A partir de então, com a fonte não regulada construída e
testada, e com os valores obtidos, deu-se continuidade no projeto do regulador, utilizando o
CI 723.
2.2 Circuito regulador de tensão com CI 723
Uma fonte de alimentação é um circuito eletrônico projetado para proporcionar uma
tensão contínua pré-determinada Voreg independente da corrente de saída IL, da temperatura
ou de quaisquer variações na tensão de rede CA de alimentação de entrada.
Vários tipos de fonte de alimentação regulada estão disponíveis, dentre as quais
podem ser destacadas as fontes de alimentação lineares, chaveadas ou ressonantes.
Este trabalho trata das fontes de alimentação regulada lineares através de circuitos
integrados monolíticos, no caso o LM723.
2.2.1 O CI 723
O CI 723 faz parte de uma seria de CI’s 78XXC, monolítico de grande aplicabilidade,
constituído de reguladores de tensão fixa. A figura 3 representa sua aplicação usual, onde os
capacitores Ci e Co são utilizados para a filtragem de ruídos de alta frequência e o aumento da
estabilidade de saída em relação à temperatura.
Figura 3 – Aplicação usual de um CI da série 78XXC
Fonte: Orientações de trabalho – Disciplina de Laboratório de Analógica II
Estes dispositivos não exigem qualquer ajuste, têm valores de tensões de saída
disponíveis em 5, 6, 8, 12, 15, 18 ou 24V e capacidade de corrente até aproximadamente 1A.
Possui proteção interna contra curto-circuito, desligação térmica automática, dentre outras
características de bom desempenho.
Por ser um CI versátil, o LM723 é bastante utilizado em projetos, devido as seguintes
características:
• Tensão máxima de entrada de 40V;
• Tensão máxima de saída ajustável de 2V a 37V;
• Aplicável a fontes reguladas lineares ou chaveadas;
• Corrente de saída (sem a conexão de transistores externamente) de 150mA.
Na figura 4 é demonstrado a pinagem do CI 723.
Figura 4 – Diagrama de conexões do CI 723
Fonte: Datasheet LM 723
1. NC (Não Conectado);
2. Limite de corrente;
3. Sensor de corrente;
4. Entrada inversora;
5. Entrada não inversora;
6. Tensão de referência;
7. –VCC;
8. NC;
9. VZ;
10. VOUT;
11. Coletor do transistor;
12. +VCC;
13. Compensação de frequência;
14. NC.
A figura 5 representa o circuito interno do CI 723.
Figura 5 – Circuito interno do CI 723
Fonte: Orientações de trabalho – Disciplina de Laboratório de Analógica II
Os pinos (12) e (7) fornecem a polarização +VCC e –VCC, respectivamente, para todos
os circuitos internos do regulador. Através do terminal (6) tem-se acesso à tensão de
referência gerada internamente, a qual pode ser reduzida através de divisores de tensão ou
variada através de potenciômetros. O transistor Q1 possibilita o desvio da corrente de base do
transistor de saída Q2, podendo-se realizar a proteção de sobre-corrente de saída pela
adequada polarização da junção base-emissor do primeiro transistor (Q1).
Maiores informações sobre o CI 723 se encontra no anexo 1.
2.2.2 Premissas do projeto
No projeto descrito neste relatório procurou-se atender as seguintes premissas:
• Corrente de saída de 1A;
• Proteção contra sobre-corrente em 1,2A;
• Tensão de saída (Voreg) de 4V a 12V (Variável)
• Máximo fator de Ripple de 1%.
2.2.3 Memória de Cálculos
A seguir é apresentado os cálculos que foram executados para se obter a especificação
ideal dos componentes a serem utilizados no projeto do regulador de tensão.
Em sala de aula, juntamente com as orientações do professor Paulo José da Costa
Cunha, e a participação dos alunos que cursavam a disciplina de Laboratório de Eletrônica
Analógica II, obteve-se as principais características do circuito regulador utilizando-se o CI
723, como mostra a figura 6.
Figura 6 – Foto do Circuito Regulador projetado com CI 723
Fonte: Aula de Laboratório de Eletrônica Analógica II
Desta forma, o circuito ficará, de uma forma genérica, conforme figura 7.
Figura 7 – Forma genérica do Circuito Regulador projetado com CI 723
Fonte: Orientações de trabalho – Disciplina de Laboratório de Analógica II
A partir do circuito demonstrado na figura 7, e das características do CI 723 estudadas
no tópico 2.2.1 deste relatório, prosseguiu-se com os cálculos dos componentes.
2.2.3.1 Calculo do R1 e R2
Para calcular os valores de R1 e R2, considerou-se o fato deles estarem na malha de
realimentação negativa do amplificador operacional, sendo assim caracterizado com NÃO
INVERSOR, conforme figura 8.
Figura 8 – Circuito Não Inversor
Fonte: http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/73/37/
A formula da tensão de saída (Vo) em relação à tensão de entrada (Vi) e dada por:
ViR
RVo .
1
21
+=
Através desta fórmula é fácil perceber que, para que o ganho (Av) seja igual a 2, R2 e
R2 deve ser de mesmo valor. Por tanto se designou o valor de 10kΩ, por ser fácil para efeito
de cálculos, e por ser, também, um valor comercial fácil de encontrar:
R1=R2=10kΩ
Para saber a potência máxima dissipada por R1 e R2, consideramos a tensão máxima
de Vo=12V dividida entre R1 e R2. Assim, Vomax=6V. Utilizando-se da lei de Ohm, temos
( )mW
R
VoPP RR 6,3
100006
1max
22
21 ====
2.2.3.2 Calculo de R3, R4
Como se sabe que o circuito é de um Amp. Op. Não Inversor, e que o ganho é 2, e
considerando as premissas do projeto descritas no item 2.2.2 deste relatório, temos as
seguintes condições:
Figura 9 – Resistores de entrada do CI 723
Fonte: Orientações de trabalho – Disciplina de Laboratório de Analógica II
• Para Vomax=12V: 12V=2Vpmax => Vpmax=6V;
• Para Vomin=4V: 4V=2Vpmin => Vpmin=2V;
• Para o potenciômetro P1 = 0 a 1kΩ.
Do Datasheet (Anexo 1) do CI 723 é obtido o valor de VRef = 7,15V, e de IRef ≤15mA.
Com base nessas condições e informações, efetuaram-se os seguintes cálculos:
• Para encontrar a corrente IRef que passará pelo potenciômetro:
mAP
VoVoI f 4
1000
26
1minmax
Re =−=−
=
• Para encontrar o resistor R3:
Ω=−=−
= 5,287004,0
615,73
Re
maxRe
f
f
I
VoVR
• Para encontrar o resistor R4:
Ω=== 500004,0
24
Re
min
fI
VoR
Vp
• Para encontrar a potencia dissipada PR3:
mWfIRPR 6,4)²004.(,5,287)Re(.32
3 ===
• Para encontrar a potência dissipada PR4:
mWfIRPR 8)²004.(,500)Re(.42
4 ===
2.2.3.3 Escolha do Transistor de Potência (Q1)
Para a escolha do transistor de potência (Q1) foram observadas as seguintes condições:
• VCBO > Vinmax;
• ICMAX > Iomax;
• PCMAX > (Vinmax – Vo) . ICMAX;
Com base nestas condições e analisando o Datasheet de alguns transistores, constatou-
se que o TIP122, comumente utilizado em projetos acadêmicos, é uma solução para este
projeto. Suas principais características estão descritas na Tabela 1.
Tabela 1 – Principais características do TIP122
Fonte: Datasheet TIP122
Para comprovarmos a utilidade do TIP122 para este projeto, fez-se a seguinte análise.
da fonte não regulada, descrita no item 2.1, temos que
Vinmax= Vo sem carga = 21,7V,
das premissas do projeto, descritas no item 2.2.2, temos que
Iomax = 1,2A,
então a potência dissipada pelo transistor (PC), considerando o pior caso, será
PC = Vinmax . Iomax = 21,7 . 1,2 = 26,04W.
Através dos resultados encontrados, comprovou-se que o TIP122 atende as
necessidades deste projeto.
2.2.3.4 Calculo do dissipador de calor, para Q1
Sabendo-se que os semicondutores têm sua operação influenciada pela temperatura ao
qual estão expostos, e ainda mais o transistor, que no caso deste trabalho, o transistor Q1 é um
transistor de potência, por tanto sofrerá um alto aquecimento provindo da potência que o
mesmo dissipará. Por isso, para evitar com que o componente queime após algum tempo em
operação, se faz necessário à utilização de um dissipador de calor que evitará com que o
componente ultrapasse a temperatura limite para que o mesmo trabalhe normalmente. O
dissipador de calor foi calculado com base na corrente do coletor de Q1 e a potência máxima
calculada anteriormente, considerando o pior caso.
Como neste projeto o transistor utilizado é o TIP122, observaram-se as seguintes
informações no datasheet do mesmo:
• Tamb ≤ 30°C (temperatura ambiente);
• Tjmax ≤ 150°C (temperatura máxima de junção);
• Rthj-c = 1,92°C/W (resistência térmica junção-caixa);
• Rthj-a = 62,5°C/W (resistência térmica junção-ambiente);
• Rthc-r ≅ 0,7°C/W (Resistência térmica caixa-radiador - encapsulamento TO.220,
montagem com silicone – Valor tabelado)
Para encontrar o valor da resistência térmica total
WCPc
TTjRth amb /61,4
04,26
30150max °=−=−
= .
Para encontrar o valor da resistência térmica do radiador-ar
WCRthRthRthRth rccjar /27,092,161,4 °≅−−=−−= −−−
Com esse valor de resistência térmica, encontrou-se numa tabela de radiadores, e
escolheu-se a dimensão ideal para a aplicação.
2.2.3.5 Calculo do resistor de proteção contra sobrecorrente (Rsc)
Conforme visto na figura 6, o resistor Rsc é colocado em paralelo com a tensão Vbe
de um transistor interno do CI 723. Como Vbe ≅ 0.65V (para inicio de condução), obtém-se
que
Ω=== 542,02,1
65,0
maxIo
VRsc be .
Este resistor tem a função de manter a correte de saída (Io) abaixo de 1,2A. Caso a
corrente de saída (Io) chegue a 1,2A, a tensão sobre Rsc forçará uma tensão em Vbe do
transistor interno ao CI 723, que por sua vez conduzirá, servindo como “dreno” da corrente de
base de Q1, fazendo com que a corrente de saída volte ao seu valor inicial projetado.
A potência que o Rsc dissipará será
mWRsc
VbePRsc 780
542,0
²65,0)²( === .
2.2.4 Especificação e Lista de Materiais
2.2.5 Simulações
2.2.6 Montagem
2.2.7 Testes
3. CONCLUSÃO
Através deste projeto proposto pela disciplina de Laboratório de Eletrônica Analógica
II da PUC - Minas, nossa aprendizagem é posta à prova, nos fazendo praticar o raciocínio
lógico dedutivo, que vem sendo aguçado ao longo do curso de Engenharia, e a capacidade de
trabalhar em equipe.
Pudemos, assim, compreender com maior clareza a disciplina teórica, aplicando
técnicas e utilizando ferramentas computacionais para se resolver um problema típico de
engenharia.
Com deste trabalho pudemos conhecer melhor o principio de funcionamento de
Amplificadores Operacionais, bem como projetar um circuito que se utiliza esta tecnologia,
baseado em valores que se quer obter. Conhecemos técnicas para projetar o valor necessário
de determinados componentes para esse projeto, e que servem de auxilio para outros mais.
Conseguimos conciliar teoria e pratica, descobrindo possíveis falhas que podem
aparecer em uma montagem prática, e adquirindo experiência para montagem de projetos
futuros. Este trabalha se mostrou ser de grande valia para nosso aprendizado.
REFERÊNCIAS
CIPELLI, Antônio Matco Vicari, Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos
Eletrônicos, 11ª Ed. São Paulo: Érica, 1986.
ZENHA, Telmo de Oliveira. Eletrônica Fundamental: Teoria e Prática. Belo Horizonte:
PUCMG/FUMARC,1984
SEDRA, ADEL S.; Smith, Kenneth, C. Microeletrônica. 4aed. São Paulo: Makron Books,
2000.
BOYLESTAD, NASHELSKY; Robert, Louis. Dispositivos eletrônicos e Teoria de
Circuitos. 6° Ed. Rio de Janeiro: LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 1998.
ANEXOS