PTG Engenharia Elétrica - Desenvolvimento de Fonte Sem Transformador

PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG CURSO Engenharia Elétrica PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG Curso Engenharia Elétrica Semestre 5º Flex 6ºRegular Objetivos da Aprendizagem A produção textual é um procedimento metodológico de ensino aprendizagem que tem por objetivos Instigar os alunos apoiados nas informações presentes na BNCC sobre a área da linguagem como ferramenta norteadora para o planejamento de atividades diferenciadas Relacionar teoria e prática a fim de proporcionar embasamento para atuação em atividades extracurriculares Desenvolver os estudos independentes sistemáticos e o autoaprendizado Favorecer a aprendizagem Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas práticos relativos à profissão Prezados alunos Sejam bemvindos a este semestre A proposta de Produção Textual Interdisciplinar em Grupo PTG terá a seguinte temática desenvolvimento de uma fonte sem transformador Escolhemos esta temática para possibilitar a aprendizagem interdisciplinar dos conteúdos desenvolvidos nas disciplinas deste semestre Situação Geradora de Aprendizagem SGA Atualmente existem basicamente dois tipos de fonte de alimentação em corrente contínua as fontes chaveadas e as fontes lineares As fontes chaveadas ganharam visibilidade por apresentar um rendimento superior a 80 no entanto apresentam uma maior complexidade se comparado as fontes lineares As fontes lineares regulam a tensão de saída a partir de circuitos eletrônicos de retificação As referidas fontes ainda podem ser classificadas como isoladas ou não isoladas A mais comum é a fonte isolada em que um transformador é utilizado como estratégia para readequação dos níveis de tensão e isolação da rede elétrica Para aplicações que demandam baixo consumo e PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG que ocupe pouco espaço uma alternativa é a fonte sem transformador Contudo esse tipo de fonte possui algumas limitações devido a disponibilidade de componentes e a estabilidade no funcionamento Considere que você é o engenheiro projetista da KFB uma empresa que atua no ramo de Pesquisa e Desenvolvimento PD para vários setores de tecnologia Você recebeu um novo desafio em que é necessário projetar uma fonte sem transformador para alimentar uma carga constante de 51 V e 15 mA A fonte deve ser ligada em uma alimentação de 110 Vca Para desenvolver esse trabalho você deve seguir algumas etapas i explicar a teoria por trás desse tipo de fonte ii projetar os componentes para que o circuito opere nas especificações iii realizar um estudo comparativo com fontes lineares isoladas Agora é com você TAREFAS O desafio é projetar e simular uma fonte linear sem transformador com o objetivo de discutir as vantagens e desvantagens dessa tecnologia como entrega adequada dos níveis de tensão e corrente solicitados e a eficiência energética Para isso são necessárias soluções para as tarefas propostas pelo setor de PD considerando os aspectos pertinentes às disciplinas do semestre Agora que vocês já sabem desta missão elaborem um relatório dessa análise a ser entregue a seu superior em que deverá ser apresentado obrigatoriamente os passos descritos a seguir nessa sequência Para elaboração de todos os passos descritos mais à frente será necessário fazer a simulação do circuito eletrônico proposto Para isso sugerimos que utilize o software MultisimLive ou LTSpice Para o primeiro caso você pode realizar as simulações online através do link httpswwwmultisimcom Para o segundo caso você pode realizar download do software LTSpice através do link httpswwwanalogcomendesigncenterdesigntoolsandcalculatorsltspice simulatorhtml PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG Tarefa 1 Para o desenvolvimento desse circuito o primeiro passo é conhecêlo e compreender o seu funcionamento A Figura 1 ilustra um dos possíveis esquemas de um circuito de fonte de tensão CC sem transformador Assim você deve explicar a teoria por trás desse tipo de fonte explicando a função de cada componente do circuito bem como o seu funcionamento Apresente também o que acontece com a tensão de saída quando há uma mudança na corrente exigida da fonte seja para mais ou menos Figura 01 Exemplo de circuito de fonte sem transformador C1 110 VRMS D1 Zener R1 D2 C2 Carga 51V e 15mA Fonte elaborada pelo autor Tarefa 2 Nesta tarefa vocês devem efetivamente projetar o circuito de fonte de tensão sem transformador especificando os valores escolhidos para cada componente A tensão e corrente de saída devem ser de 51 V e 15mA Sabendo disso responda as seguintes perguntas que irão te guiar no projeto e validação do circuito Tomando como base o circuito da Figura 1 calcule o valor da reatância capacitiva do capacitor C1 Determine também o valor do capacitor C2 e do resistor para a polarização do zener Feito os cálculos apresente uma figura com o circuito projetado No circuito da Figura 1 qual a função do capacitor C1 Ele pode ser substituído por alguma fonte controlada fonte de tensão controlado por tensão fonte de tensão controlado por corrente fonte de corrente controlado por tensão fonte de corrente controlado por corrente Nesse caso qual o valor do ganho PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG Na simulação computacional sem o circuito de carga ou seja sem o zener e o resistor de carga mensure a corrente no capacitor C2 e justifique o valor obtido Para comprovar o funcionamento do circuito eletrônico proposto através de ensaios computacionais plote os valores de corrente elétrica e tensão na carga Plote a tensão retificada com e sem o filtro capacitivo Plote a tensão após o capacitor de acoplamento C1 e o diodo D2 sem a carga No circuito apresentado na Figura 1 é possível afirmar que o diodo D1 é desnecessário no circuito ou seja que o circuito também funcionaria com a sua remoção Qual o funcionamento do circuito com a remoção do diodo D1 Responda as perguntas e apresente uma simulação dessa hipótese Tarefa 3 Realize um estudo comparativo entre uma fonte linear sem transformador e uma fonte linear com um transformador A fonte com transformador pode ser projetada para uma retificação em meia onda com um filtro capacitivo Considere a mesma carga 51 V e 15 mA Realize a simulação em ambiente computacional considerando um transformador com relação 101 Apresente a simulação da fonte com transformador projetada e compare com as simulações realizadas para a fonte sem transformador Indique também as vantagens e desvantagens de cada uma das fontes Tarefa 4 No circuito da fonte com transformador o elemento principal e mais custoso passa a ser justamente o transformador Para o processo de fabricação do transformador deve ser utilizado um material magnético que seja capaz de transferir o campo magnético do primário para o secundário com a menor dispersão e perdas possíveis Qual o tipo de material mais recomendado para ser utilizado no núcleo de um transformador e por quê Tarefa 5 Após a finalização das etapas anteriores você e sua equipe precisam elaborar um documento no formato de um projeto a fim de que vocês possam visualizar com mais clareza todas as etapas necessárias para concretização do projeto Sendo assim a organização e formatação devem ser feitas PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG de acordo com as normas da ABNT Devem ser observados os seguintes quesitos fonte utilizada parágrafo espaçamento entre linhas e citações As citações devem seguir as orientações para citações diretas e indiretas NBR 10520 de 2002 Finalizando o projeto também devem ser apresentadas as referências NBR 6023 de 2002 utilizadas para a elaboração do documento NORMAS PARA ELABORAÇÃO E ENTREGA DA PRODUÇÃO TEXTUAL 1 O trabalho será realizado em grupos de 02 a 07 alunos no máximo 2 A formação dos grupos é de responsabilidade dos alunos no entanto solicitamos que sigam as orientações do Tutor Presencial responsável por cadastrar os grupos no sistema 3 Importante somente o líder do grupo conseguirá cadastrar o trabalho finalizado no sistema o que deverá ser feito na pasta específica atividades interdisciplinares obedecendo ao prazo limite de postagem conforme disposto no cronograma do curso Não existe prorrogação para a postagem da atividade 4 O trabalho final deve conter depois de pronto capa e folha de rosto padrão da Universidade sendo organizado no que tange à sua apresentação visual tipos e tamanhos de fontes alinhamento do texto espaçamentos adentramento de parágrafos apresentação correta de citações e referências entre outros elementos importantes conforme modelo disponível no AVA 5 A produção textual é um trabalho original e portanto não poderá haver trabalhos idênticos aos de outros alunos ou com reprodução de materiais extraídos da internet Os trabalhos plagiados serão invalidados sendo os alunos reprovados na atividade Lembrese de que a prática do plágio constitui crime com pena prevista em lei Lei nº 9610 e deve ser evitada no âmbito acadêmico 6 Importante O trabalho deve ser enviado em formato Word Não serão aceitos sob nenhuma hipótese trabalhos enviados em PDF A seguir apresentamos a vocês alguns dos critérios avaliativos que nortearão a análise do Tutor a Distância para atribuir o conceito à produção textual Normalização correta do trabalho em respeito às normas da ABNT com atendimento ao número de páginas solicitadas Apresentação de estrutura condizente com a proposta apresentada com introdução desenvolvimento e conclusão Uso de linguagem acadêmica adequada com clareza e correção atendendo à norma padrão Atendimento à proposta contemplando todos os itens solicitados com objetividade criatividade originalidade e autenticidade Fundamentação teórica do trabalho com as devidas referências dos autores eventualmente citados PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG Lembrese de que seu Tutor a Distância está à disposição para lhes atender em suas dúvidas e também para repassar orientações sempre que vocês precisarem Aproveite esta oportunidade para realizar um trabalho com a qualidade acadêmica de nível universitário Bom trabalho a todos Equipe de professores Projeto de uma fonte linear sem transformador Tarefa 1 As fontes de alimentação sem transformador que também podem ser conhecidas pela sua abreviação direta FAST são utilizadas em diversas aplicações onde a carga apresenta um baixo consumo e a fonte pode ser conectada à rede de energia elétrica dessa forma essas fontes eliminam um componente bastante caro volumoso e pesado que é o transformador BRAGA 2001 Uma fonte linear comum utiliza os seguintes componentes presentes na figura 1 Figura 1 Diagrama de blocos de uma fonte de alimentação linear Fonte BRAGA 2001 Outro ponto a ser levado em consideração no momento de realizar o projeto da fonte é se o isolamento da rede de energia é um ponto importante Isto ocorre em situações onde o dispositivo se encontra dentro de uma caixa isolante impossibilitando o contato direto com alguma parte energizada do circuito BRAGA 2001 Na figura 2 temos o circuito montado utilizando o multisim online e conseguindo entregar 48 V e 143 mA para a carga Figura 2 Circuito montado pelo autor na plataforma multisim Fonte Próprio autor Como podemos ver temos diversos componentes conectados nessa fonte como resistores capacitores diodos e até um zener em paralelo com a carga cada um deles possui uma função específica O resistor R1 aquele de 100 Ω tem a finalidade de reduzir a corrente que irá passar por C1 dessa forma ele pode ser visto como um fusível que abre em caso de curtocircuito Além disso esse resistor precisa ser projetado de forma que ele possua um valor baixo para diminuir as perdas por dissipação de calor BRITES 2019 Já o capacitor C1 conectado em série com o resistor R1 funciona como uma resistência se conectado à uma fonte alternada funcionando como um redutor de tensão mas com a vantagem sobre o resistor convencional de que ele não dissipa potência em forma de calor BRAGA 2001 Logo ao lado do capacitor C1 há o que chamamos de circuito de retificação composto pelos diodos D1 e D2 Esse circuito permite que uma tensão ou corrente alternada seja transformada em contínua ondulada com ripple Na figura 3 a onda azul representa o formato em que a tensão de entrada se comporta enquanto que a onda vermelha representa o formato da onda que passa pelo circuito retificador BRAGA 2001 Figura 3 Formas de onda da tensão de entrada e após o circuito retificador O capacitor C2 funciona como um filtro logo após o processo de retificação pois assim o circuito já possui uma tensão com polaridade definida porém ainda nesta etapa a forma de onda resultante ainda é pulsante o que a torna inadequada para circuitos eletrônicos que precisam de uma tensão de alimentação CC BRAGA 2001 Na figura 4 podemos visualizar como a onda está logo após o circuito de retificação e como ela fica após a passagem no filtro Figura 4 Filtro de uma fonte de alimentação sem transformador Fonte REIS 2011 Já o diodo zener funciona como um regulador de tensão ou seja ele tenta linearizar o máximo possível a tensão que saí da fonte de entrada independentemente do quão pulsada seja o regulador tenta manter um valor fixo além de suportar as variações da carga Um exemplo de como funcionaria um regulador pode ser visualizado na figura 5 Figura 5 Regulador de uma fonte de tensão sem transformador Fonte REIS 2011 O circuito da figura 2 apresenta 48 V e 143 mA na carga porém quando há uma diminuição da corrente de entrada ocorre uma pequena alteração de 48 V para 46 V na carga como mostrado na figura 6 Figura 6 Diminuindo a corrente de entrada com uma leve alteração na tensão na carga Fonte Próprio autor Quando ocorre alteração no capacitor C1 de forma a aumentar a corrente de entrada há um pequeno aumento na tensão na saída porém ainda se mantém dentro do limite de 51 V esperados no início do projeto como podemos verificar na figura 7 Figura 7 Aumentando a corrente de entrada com um pequeno aumento na tensão da carga porém ainda dentro dos 51 V esperados Fonte Próprio autor Tarefa 2 Figura 8 Circuito desenvolvido no LTspice Fonte Próprio autor Figura 9 Parâmetros da fonte de alimentação Fonte Próprio autor A tensão da fonte que alimenta o circuito figura 8 foi definida como 155 V pois esse seria o valor do pico considerando um valor em rms de 110 V Enquanto isso a frequência definida foi de 60 Hz por representar a rede de energia que alimenta esse circuito como podemos ver na figura 9 Resposta do primeiro ponto Para o cálculo de C1 como ela se comporta de forma parecida a um resistor iremos calcular a impedância para isso iremos levar em consideração a tensão de entrada do circuito e quanto de corrente precisamos entregar na carga que para o nosso projeto será de 15 mA os cálculos ficam da seguinte forma ZV I Z 110V 15mA 73333Ω Dessa forma iremos utilizar a fórmula da reatância capacitiva para calcular a capacitância do capacitor C1 X c 1 2π f C No lugar de C iremos colocar o valor da impedância encontrada anteriormente X c 1 2π 6073333 X c36μF Já o cálculo para o resistor de polarização do zener iremos levar em consideração o modelo disponibilizado pelo LTspice o diodo 1N750 Podemos calcular a resistência do resistor de polarização seguindo a equação RZVccVz Iz Onde Vcc é a tensão na carga que foi definida em 51 V Vz é a tensão em cima do diodo zener que seguindo as informações no datasheet é de 47 V e a corrente no diodo zener Iz foi definida entre o valor máximo de 106 mA e 16 mA sendo escolhido o valor de 16 mA Dessa forma o valor de Rz é de RZ5147 16 m 25 Ω Já para o capacitor C2 foi escolhido o valor de um capacitor comercial de 470 uF que foi escolhida de forma a não prejudicar a queda de tensão em cima da carga já que quanto maior o capacitor mais energia o capacitor precisaria fornecer para a carga Resposta do segundo ponto Para esse circuito o capacitor C1 funciona como um redutor de tensão nesse caso ele poderia ser substituído por uma fonte de tensão controlado por tensão com ganho de 051 Resposta do terceiro ponto Ambos os diodos tendem para a região de corte então depois do período transitório ambos não permitem a passagem de corrente fazendo com que a corrente no capacitor C2 tenda para 0 V figura 10 e isso ocorre porque o capacitor C2 carregou por completo Figura 10 Corrente no capacitor C2 Fonte Próprio autor Resposta do quarto ponto Figura 11 Tensão na carga Fonte Próprio autor Figura 12 Corrente na carga Fonte Próprio autor Resposta do quinto ponto Circuito com o filtro Figura 13 Tensão retificada depois do circuito retificador em verde e tensão em azul antes de entrar no circuito retificador Fonte Próprio autor Circuito sem o filtro Figura 14 Tensão retificada depois do circuito retificador em verde e tensão em azul antes de entrar no circuito retificador Fonte Próprio autor Resposta do sexto ponto Figura 15 Tensão no diodo D2 sem a carga Fonte Próprio autor Figura 16 Tensão no capacitor C1 Fonte Próprio autor Resposta do sétimo ponto O circuito não funcionaria com a remoção do diodo D1 Uma vez que sem esse diodo o diodo D2 não realizaria a retificação da forma correta e depois de determinado tempo a tensão na carga tenderia para 0 V já que o diodo D2 vai ter atingido o seu ponto de corte impedindo a passagem de qualquer corrente como podemos ver nas figuras 17 e 18 a corrente e a tensão respectivamente na carga Figura 17 Corrente na carga Fonte Próprio autor Figura 18 Tensão na carga Fonte Próprio autor Tarefa 3 Figura 19 Projeto de fonte linear com transformador 101 Fonte Próprio autor Figura 20 Tensão na carga da fonte com transformador Fonte Próprio autor Figura 21 Corrente na carga do circuito com fonte utilizando transformador Fonte Próprio autor Figura 22 Projeto de fonte linear sem o transformador Fonte Próprio autor Figura 23 Tensão na carga do circuito sem transformador Fonte Próprio autor Figura 24 Corrente na carga do circuito sem transformador Fonte Próprio autor Logo abaixo será apresentado de forma breve as vantagens e desvantagens de cada uma das fontes mostradas acima As fontes que não utilizam um transformador apresentam algumas vantagens sobre as fontes com transformador como por exemplo EDUARDA 2021 Elas são utilizadas para aparelhos de baixo consumo A ausência do transformador a torna mais barata leve e com volume menor Apesar de ser promissora essa fonte também apresenta desvantagens como por exemplo EDUARDA 2021 O resistor R1 em série na entrada do circuito pode apresentar uma dissipação elevada caso a corrente solicitada pela carga seja alta Outro ponto ainda no resistor R1 é a perda de energia em forma de calor o que pode ser prejudicial para o circuito O diodo zener se torna obrigatório nesse tipo de configuração O capacitor C1 precisa ser maior caso a corrente necessária pela carga seja elevada As principais desvantagens de uma fonte linear com transformador são EDUARDA 2021 O tamanho peso e o preço dessa fonte são bem elevados em comparação com as opções sem o transformador A eficiência energética desse tipo de fonte é bem menor uma vez que para realizar a redução da tensão ela perde uma parte da energia elétrica em forma de calor logo esse tipo de fonte produz muito mais calor Apesar de apresentar diversas desvantagens a fonte linear com transformador apresenta algumas vantagens como por exemplo EDUARDA 2021 A fonte linear utilizando o transformador consegue entregar a tensão de saída desejada pelo projetista já que ela utiliza as resistências elétricas dos componentes para dissipar a energia e consequentemente estabilizar a corrente na carga Tarefa 4 O melhor material para utilizar no núcleo de um transformador é o de aço silício já que eles conseguem diminuir a perda por correntes parasitas que são correntes criadas por conta de uma variação de um campo magnético variável que surge por conta da corrente alternada nos enrolamentos ANDRADE 2021 Referências ANDRADE Tamiris Por que o núcleo dos transformadores é feito de aço silício Webcitizen 2021 Disponível em httpswwwwebcitizencombr202109porqueonucleodostransformadoresefeito deacosiliciohtml Acesso em 5 out 2022 BRAGA Newton C Projetando e montando fontes sem transformador art 009 Instituto Newton C Braga Disponível em httpswwwnewtoncbragacombrindexphpeletronica57artigoseprojetos376 projetandoemontandofontessemtransformadorart009 Acesso em 5 out 2022 BRITES Paulo Entendendo as fontes sem transformador Paulo Brites eletrônica e etc Disponível em httpswwwpaulobritescombrentendendoasfontes semtransformador Acesso em 5 out 2022 EDUARDA Maria Fonte chaveada entenda as vantagens e as diferenças Iluminim 2021 Disponível em httpsblogiluminimcombrfontechaveada entendaasvantagenseasdiferencas Acesso em 5 out 2022 REIS Arthur et al Teoria geral das fontes de alimentação lineares PET elétrica UFJF Disponível em httpspeteletricaufjffileswordpresscom201112teoriageraldasfontesde alimentac3a7c3a3olineares1pdf Acesso em 5 out 2022