Eletronica Analogica - Trabalho Avaliativo II - Analise de Circuitos com Diodo

Disciplina de Eletrônica Analógica I Professor Guilherme Butzke email guilhermegeringprofessormultivixedubr Trabalho Avaliativo II Análises de Circuitos com Diodo Considerações O trabalho pode ser desenvolvido em grupos de até 6 pessoas O desenvolvimento e os cálculos devem ser enviados via portal AVA em formato PDF Esses são alguns dos critérios de avaliação para obtenção da nota final Campo de avaliação Descrição Qualidade do trabalho O trabalho está legível Houve comprometimento para que o texto seja claro e entendível O trabalho foi mandado no formato correto Aspectos teóricos Conseguiu explorar os conteúdos teóricos abordados em sala de aula Foi conciso na definição dos conceitos explorados Conseguiu demonstrar organização lógica nas exposições das ideias no texto Qualidade técnica Os gráficos foram apresentados de maneira Estavam legíveis e com unidades representadas As equações foram apresentadas de maneira clara e concisa As grandezas físicas foram corretamente representadas Aspectos de entendimento do problema Conseguiu atender aos requisitosinstruções sugeridas no escopo da atividade O problema proposto foi resolvido A resposta final foi correta Questões 01 Para os circuitos apresentados na figura abaixo considere o modelo de diodo ideal Dito isto encontre os valores de tensão V e corrente I indicados 02 No circuito da Figura abaixo determine as faixas de 𝑅𝐿 e 𝐼𝐿que manterá o diodo na região Zener Considere que esse diodo zener ele tem as seguintes características Ele só começa a entrar na região de operação de ruptura quando atingir o valor de 𝑉𝑍 12𝑉 A corrente máxima que ele suporta na região de ruptura é de 𝐼𝑍𝑀 32𝑚𝐴 Com isso determine faixas de 𝑅𝐿 e 𝐼𝐿 que manterá o diodo na região Zener Ou seja o que devemos calcular é Qual deve ser o valor máximo de carga ou seja o 𝑅𝐿𝑚𝑖𝑛 para essa situação para que o diodo suporte a corrente máxima Qual deve ser o valor mínimo de carga ou seja o o 𝑅𝐿𝑚𝑎𝑥 para que o diodo esteja na região Zener 03 Considere um circuito retificador em ponte com uma resistência de carga 𝑅𝐿 100Ω sendo alimentado por um transformador de 𝑉2 12𝑉𝑟𝑚𝑠 e 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 60𝐻𝑧 Assumindo que a queda de tensão no diodo é de 𝑉𝐷 08𝑉 na condução pedese a o diagrama do circuito retificador b a tensão média na saída 𝑉𝑜𝑐𝑐 c a corrente média na carga 𝐼𝑜𝑐𝑐 d a tensão de pico inversa PIV nos diodos 04 Considere agora o mesmo circuito retificador da questão anterior mas com um capacitor de Filtro em paralelo a resistência de carga de 𝑅𝐿 100Ω Com isso pedese e o diagrama do novo circuito retificador f o valor do capacitor para uma tensão de ripple de 𝑉𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 1𝑉𝑝𝑝 picoapico g a tensão média na saída 𝑉𝑜𝑐𝑐 h a corrente média na carga 𝐼𝑜𝑐𝑐 i a tensão de pico inversa PIV nos diodos j Uma tabela comparativa com os valores encontrados nesta questão com a anterior 05 Escreva um passoapasso tutorial de como projetar uma fonte de tensão regulada Para ajudar no desenvolvimento usem como exemplo o projeto da fonte de tensão que está na apresentação 05 anexa que fornece 8𝑉𝐷𝐶 fixo com até 05𝐴 125𝑉𝐷𝐶 até 8𝑉𝐷𝐶 com até 05𝐴 Tensão de ripple de até 10 Alguns passos importantes de serem citados no tutorial Qual o primeiro passo a ser feito no projeto da fonte Como projetar o transformador Quais são os valores comerciais de transformador disponíveis Como projetar o capacitor Quais os valores comerciais disponíveis Como projetar os circuitos de regulação integrado Quais os valores vocês escolheriam para o problema em questão Bom trabalho e qualquer dúvida estou à disposição Abraços 05 Escreva um passoapasso tutorial de como projetar uma fonte de tensão regulada Para ajudar no desenvolvimento usem como exemplo o projeto da fonte de tensão que está na apresentação 05 anexa que fornece 8𝑉𝐷𝐶 fixo com até 05𝐴 125𝑉𝐷𝐶 até 8𝑉𝐷𝐶 com até 05𝐴 Tensão de ripple de até 10 Alguns passos importantes de serem citados no tutorial Qual o primeiro passo a ser feito no projeto da fonte Como projetar o transformador Quais são os valores comerciais de transformador disponíveis Como projetar o capacitor Quais os valores comerciais disponíveis Como projetar os circuitos de regulação integrado Quais os valores vocês escolheriam para o problema em questão Para projetar uma fonte de tensão regulada o primeiro passo é definir as necessidades do projeto É preciso saber por exemplo se se quer uma fonte simétrica ou não com uma tensão única ou múltiplas tensões se há necessidade de tensão de saída ajustável pelo usuário ou não e qual a correntepotência da fonte Além disso é necessário definir qual a oscilaçãoripple que o projeto requer a depender da carga se aceita mais ou menos oscilações Tudo isso é importante para definição dos componentes e até do custo financeiro do projeto No exemplo que devemos analisar a dissertar a respeito os requisitos eram duas saídas uma fixa de 8V e 05A e outra variável entre 125 V e 8V e corrente de 0 5A Ambas com oscilação máxima de 10 Como os requisitos já estão dados podemos passar para os passos seguintes Um segundo passo seria escolher as topologias usadas Para regular a tensão de saída há diversas opções como o uso de diodo zener amplificador operacional e circuitos integrados prontos Também é necessário definir se a retificação será usando ponte de diodos ou transformador com tap central Isso pode ser definido antes de se escolher o transformador ou depois obviamente garantindo a possibilidade de casar o transformador com o tipo de retificação escolhido por exemplo não é possível usar retificação por tap central se o transformador não tem tap central No exemplo optouse por usar ponte de diodos e regulador por circuito integrado comercial portanto as análises seguintes serão considerando isso Como já sabemos que precisamos de um transformador com saída simples sem taps centrais é preciso calcular a tensão de saída necessária Para isso devemos considerar a tensão de saída máxima as quedas de tensão na ponte retificadora e as quedas de tensão no CI regulador A queda na ponte é de 14V já que são dois diodos conduzindo cada um com 07 V A queda no regulador dependo do modelo e é necessário analisar a folha de dados do componente fornecida pelo fabricante No exemplo foram usados o LM1808 e LM317 ambos necessitam de ao menos 3V de diferença entre a entrada e a saída A tensão de saída máxima é de 8V Portanto usamos a inequação a seguir V transformadorV outV diodosV regulador V transformador8V 14V 3V V transformador124V Portanto o transformador deve garantir ao menos essa tensão para o circuito Porém devese ter cuidado pois essa tensão se refere a tensão contínua e não a tensão alternada Como se usará capacitores retificadores a tensão DC corresponde ao valor de pico da saída do transformador e é dada por V PV transformadorRMS 2 Mas devese ter cuidado também com o ripple de 10 que abaixa o valor mínimo de tensão para 90 do valor de pico Lembrese que a tensão na entrada do regulador deve ser de no mínimo Vout Vreg 8V 3V 11V Portanto quando consideramos que a tensão pode cair para até 90 do valor de pico do transformador a inequação fica V transformadorRMS 2V diodos09V outV regulador V transformador RMS 214V 098V 3V V transformadorRMS 2 83 09 14 2 V transformadorRMS 963V Ou seja para que o projeto funcione dentro dos requisitos a tensão RMS do secundário do transformador deverá ser de ao menos 963V Os valores comerciais disponíveis de transformadores são 3V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 48V etc O transformador de 12V já resolveria nosso problema mas em tese qualquer um acima desse valor pode ser usado mas devese ter o cuidado de verificar o limite de tensão de trabalho do CI regulador além disso aumenta a dissipação de calor no CI No projeto optouse por usar o valor de 15 V Usandose novamente a equação da tensão de pico obtemos a tensão no secundário do transformador escolhido V PV transformadorRMS 2 V p15V 22121V Para calcular os valores dos capacitores precisamos saber a tensão que chega até eles e a tensão de ripple A tensão que chega é Vp 2121V descontada do 14V sobre os diodos portanto chega no capacitor 1981V Como o ripple é 10 a tensão de ripple Vosc é 198 V Portanto a oscilação da tensão na saída do bloco de filtragem capacitores será de 1783V até 1981V Sabendo que V osc I fC Temse C I f V osc A frequência para o retificador de meia onda é o dobro da frequência da rede que no Brasil é 60Hz e a corrente I foi dada sendo 500 mA Portanto C 0 5 A 120Hz198V 2104 μF Isso para cada um dos circuitos saída fixa e saída ajustável Esse valor não é comercial e poderia se usar um valor maior por exemplo 2200 uF que é um valor comercial Ou associação de valores comerciais como 1000 uF 2 unidades 100 uF 47 uF A tensão de trabalho do capacitor por segurança deve ser ao menos 20 maior que a tensão máxima a que é submetido Vp Vdiodos nesse caso Portanto 122121 142377V Poderia se usar capacitores com isolação de 25V portanto Nesse projeto um capacitor 2200uF x 25 V seria a escolha ideal Como nosso transformador já foi escolhido bem como os capacitores de filtragem falta apenas definir os diodos retificadores e os reguladores Os diodos precisam suportar a tensão reversa e a corrente Como a corrente máxima será 1A quando as duas saídas estiverem trabalhando no máximo e a tensão reversa é igual a tensão de pico 2121V o 1N4001 já resolveria o problema já que suporta até 100V reversos e 1A de corrente Os reguladores são escolhidos conforme a necessidade e a disponibilidade comercial O LM7808 já tem a tensão fixa desejada de 8V é facilmente encontrado no mercado para compra e suporta corrente de saída de até 1A portanto a escolha do exemplo foi perfeita para nossa saída de 8V fixo e 05A Já para a escolha do regulador ajustável é necessário verificar os dados do fabricante que trazem os valores de trabalho do chip Novamente a escolha do exemplo foi boa pois o LM317 trabalha com saídas a partir de 125V até 37V com corrente de 1A e também é facilmente encontrado no mercado Atende nosso requisito de saída 125V até 8V com 05A Falta apenas definir o valores do resistor e do potenciômetro para que se obtenha a faixa desejada de tensões de saída para o LM317 Segundo o fabricante a saída é dada por V out125V1 R2 R150uAR2 Em que R2 e R1 formam um divisor de tensão que é usado pelo chip como referência de tensão R2 para esse projeto deve ser um potenciômetro Para 125V de saída R2 deve ser zero Isso é obtido com o potenciômetro no mínimo Para 8V de saída 8V125V1 R2 R150uAR2 Escolhendo um valor arbitrário para R2 ou para R1 se calcula o outro de modo a fazer a equação acima verdadeira Chutando R1 240 Ω como no exemplo temos 8V125V1 R2 24050uAR2 R2 128307 Ω Esses valores não são comerciais no entanto Num projeto real o mais inteligente seria escolher o potenciômetro primeiro e depois usar uma associação de resistores para se chegar ao valor de R1 desejado Por exemplo assumindo R2 2k2 Ω que é um valor comercial faríamos 8V125V1 2200Ω R1 50uA2200Ω 8V011V 125V 125V 2200Ω R1 R12750 66441415Ω Associandose um resistor de 470Ω e um de 3300Ω em paralelo mais um de 33Ω em série com eles chegase a 4147Ω valor muito próximo do calculado 05 Escreva um passoapasso tutorial de como projetar uma fonte de tensão regulada Para ajudar no desenvolvimento usem como exemplo o projeto da fonte de tensão que está na apresentação 05 anexa que fornece 8𝑉𝐷𝐶 fixo com até 05𝐴 125𝑉𝐷𝐶 até 8𝑉𝐷𝐶 com até 05𝐴 Tensão de ripple de até 10 Alguns passos importantes de serem citados no tutorial Qual o primeiro passo a ser feito no projeto da fonte Como projetar o transformador Quais são os valores comerciais de transformador disponíveis Como projetar o capacitor Quais os valores comerciais disponíveis Como projetar os circuitos de regulação integrado Quais os valores vocês escolheriam para o problema em questão Para projetar uma fonte de tensão regulada o primeiro passo é definir as necessidades do projeto É preciso saber por exemplo se se quer uma fonte simétrica ou não com uma tensão única ou múltiplas tensões se há necessidade de tensão de saída ajustável pelo usuário ou não e qual a correntepotência da fonte Além disso é necessário definir qual a oscilaçãoripple que o projeto requer a depender da carga se aceita mais ou menos oscilações Tudo isso é importante para definição dos componentes e até do custo financeiro do projeto No exemplo que devemos analisar a dissertar a respeito os requisitos eram duas saídas uma fixa de 8V e 05A e outra variável entre 125 V e 8V e corrente de 0 5A Ambas com oscilação máxima de 10 Como os requisitos já estão dados podemos passar para os passos seguintes Um segundo passo seria escolher as topologias usadas Para regular a tensão de saída há diversas opções como o uso de diodo zener amplificador operacional e circuitos integrados prontos Também é necessário definir se a retificação será usando ponte de diodos ou transformador com tap central Isso pode ser definido antes de se escolher o transformador ou depois obviamente garantindo a possibilidade de casar o transformador com o tipo de retificação escolhido por exemplo não é possível usar retificação por tap central se o transformador não tem tap central No exemplo optouse por usar ponte de diodos e regulador por circuito integrado comercial portanto as análises seguintes serão considerando isso Como já sabemos que precisamos de um transformador com saída simples sem taps centrais é preciso calcular a tensão de saída necessária Para isso devemos considerar a tensão de saída máxima as quedas de tensão na ponte retificadora e as quedas de tensão no CI regulador A queda na ponte é de 14V já que são dois diodos conduzindo cada um com 07 V A queda no regulador dependo do modelo e é necessário analisar a folha de dados do componente fornecida pelo fabricante No exemplo foram usados o LM1808 e LM317 ambos necessitam de ao menos 3V de diferença entre a entrada e a saída A tensão de saída máxima é de 8V Portanto usamos a inequação a seguir 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑉𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 8𝑉 14𝑉 3𝑉 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 124 𝑉 Portanto o transformador deve garantir ao menos essa tensão para o circuito Porém devese ter cuidado pois essa tensão se refere a tensão contínua e não a tensão alternada Como se usará capacitores retificadores a tensão DC corresponde ao valor de pico da saída do transformador e é dada por 𝑉𝑃 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑀𝑆 2 Mas devese ter cuidado também com o ripple de 10 que abaixa o valor mínimo de tensão para 90 do valor de pico Lembrese que a tensão na entrada do regulador deve ser de no mínimo Vout Vreg 8V 3V 11V Portanto quando consideramos que a tensão pode cair para até 90 do valor de pico do transformador a inequação fica 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑀𝑆 2 𝑉𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 09 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑀𝑆 2 14 𝑉 09 8𝑉 3𝑉 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑀𝑆 2 8 3 09 14 2 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑀𝑆 963 𝑉 Ou seja para que o projeto funcione dentro dos requisitos a tensão RMS do secundário do transformador deverá ser de ao menos 963V Os valores comerciais disponíveis de transformadores são 3V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 48V etc O transformador de 12V já resolveria nosso problema mas em tese qualquer um acima desse valor pode ser usado mas devese ter o cuidado de verificar o limite de tensão de trabalho do CI regulador além disso aumenta a dissipação de calor no CI No projeto optouse por usar o valor de 15 V Usandose novamente a equação da tensão de pico obtemos a tensão no secundário do transformador escolhido 𝑉𝑃 𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑀𝑆 2 𝑉𝑝 15 𝑉 2 2121 𝑉 Para calcular os valores dos capacitores precisamos saber a tensão que chega até eles e a tensão de ripple A tensão que chega é Vp 2121V descontada do 14V sobre os diodos portanto chega no capacitor 1981V Como o ripple é 10 a tensão de ripple Vosc é 198 V Portanto a oscilação da tensão na saída do bloco de filtragem capacitores será de 1783V até 1981V Sabendo que 𝑉𝑜𝑠𝑐 𝐼 𝑓𝐶 Temse 𝐶 𝐼 𝑓𝑉𝑜𝑠𝑐 A frequência para o retificador de meia onda é o dobro da frequência da rede que no Brasil é 60Hz e a corrente I foi dada sendo 500 mA Portanto 𝐶 05 𝐴 120 𝐻𝑧 198 𝑉 2104 μ𝐹 Isso para cada um dos circuitos saída fixa e saída ajustável Esse valor não é comercial e poderia se usar um valor maior por exemplo 2200 uF que é um valor comercial Ou associação de valores comerciais como 1000 uF 2 unidades 100 uF 47 uF A tensão de trabalho do capacitor por segurança deve ser ao menos 20 maior que a tensão máxima a que é submetido Vp Vdiodos nesse caso Portanto 12 2121 14 2377 𝑉 Poderia se usar capacitores com isolação de 25V portanto Nesse projeto um capacitor 2200uF x 25 V seria a escolha ideal Como nosso transformador já foi escolhido bem como os capacitores de filtragem falta apenas definir os diodos retificadores e os reguladores Os diodos precisam suportar a tensão reversa e a corrente Como a corrente máxima será 1A quando as duas saídas estiverem trabalhando no máximo e a tensão reversa é igual a tensão de pico 2121V o 1N4001 já resolveria o problema já que suporta até 100V reversos e 1A de corrente Os reguladores são escolhidos conforme a necessidade e a disponibilidade comercial O LM7808 já tem a tensão fixa desejada de 8V é facilmente encontrado no mercado para compra e suporta corrente de saída de até 1A portanto a escolha do exemplo foi perfeita para nossa saída de 8V fixo e 05A Já para a escolha do regulador ajustável é necessário verificar os dados do fabricante que trazem os valores de trabalho do chip Novamente a escolha do exemplo foi boa pois o LM317 trabalha com saídas a partir de 125V até 37V com corrente de 1A e também é facilmente encontrado no mercado Atende nosso requisito de saída 125V até 8V com 05A Falta apenas definir o valores do resistor e do potenciômetro para que se obtenha a faixa desejada de tensões de saída para o LM317 Segundo o fabricante a saída é dada por 𝑉𝑜𝑢𝑡 125 𝑉 1 𝑅2 𝑅1 50 𝑢𝐴 𝑅2 Em que R2 e R1 formam um divisor de tensão que é usado pelo chip como referência de tensão R2 para esse projeto deve ser um potenciômetro Para 125V de saída R2 deve ser zero Isso é obtido com o potenciômetro no mínimo Para 8V de saída 8𝑉 125 𝑉 1 𝑅2 𝑅1 50 𝑢𝐴 𝑅2 Escolhendo um valor arbitrário para R2 ou para R1 se calcula o outro de modo a fazer a equação acima verdadeira Chutando R1 240 Ω como no exemplo temos 8𝑉 125 𝑉 1 𝑅2 240 50 𝑢𝐴 𝑅2 R2 128307 Ω Esses valores não são comerciais no entanto Num projeto real o mais inteligente seria escolher o potenciômetro primeiro e depois usar uma associação de resistores para se chegar ao valor de R1 desejado Por exemplo assumindo R2 2k2 Ω que é um valor comercial faríamos 8𝑉 125 𝑉 1 2200Ω 𝑅1 50 𝑢𝐴 2200Ω 8𝑉 011𝑉 125𝑉 125𝑉 2200Ω 𝑅1 𝑅1 2750 664 41415Ω Associandose um resistor de 470Ω e um de 3300Ω em paralelo mais um de 33Ω em série com eles chegase a 4147Ω valor muito próximo do calculado