Ficha 02 · Diagnóstico e projecto de fontes de alimentação

Erro 1 — Díodo inadequado para a corrente de carga:

Problema: O 1N4148 é um díodo de sinal com corrente máxima de 200 mA, mas a carga consome 500 mA.

Consequência: O díodo aquece excessivamente e fica destruído (corrente de carga excede a corrente máxima do díodo).

Correcção: Substituir pelo 1N4007 (If = 1 A, PIV = 1000 V) ou 1N5401 (If = 3 A). Como a tensão do secundário é 9 V RMS → Vpico ≈ 12,7 V → PIV necessário = 2 × 12,7 ≈ 25,4 V, portanto PIV = 75 V do 1N4148 é suficiente em termos de tensão, mas a corrente é o problema crítico.

Erro 2 — Condensador com polaridade invertida:

Problema: O positivo do condensador electrolítico está ligado ao terminal negativo do transformador.

Consequência: O condensador electrolítico fica inversamente polarizado. Com tensão inversa aplicada, o condensador electrolítico explode ou faz vent — liberta electrólito quente e pressurizado. Potencialmente perigoso.

Correcção: Inverter a ligação do condensador — o terminal + do condensador deve ligar ao anódo do díodo (saída positiva da rectificação), e o terminal – à massa.

Erro 3 — Díodo Zener sem resistência série:

Problema: O Zener está directamente em paralelo com a carga sem qualquer resistência série que limite a corrente.

Consequência: A tensão da fonte (≈ 12,7 V) excede a tensão Zener (12 V), pelo que o Zener conduz. Sem resistência série, a corrente é limitada apenas pela resistência interna do transformador e do díodo — pode ser centenas de mA. O Zener é destruído por excesso de potência.

Correcção: Adicionar uma resistência série RS entre a saída da fonte e o paralelo Zener+carga: RS = (Vfonte – Vz) / (Iz + IL) = (12,7 – 12) / (0,020 + 0,500) = 0,7 / 0,520 ≈ 1,3 Ω Potência em RS = 0,7² / 1,3 ≈ 0,38 W → usar resistência de 1 W / 1,5 Ω.

(Nota: para uma carga de 500 mA a 12 V, um regulador linear como o 7812 seria mais adequado do que um Zener básico.)

a) Corrente de carga: $$I_L = \frac{V_Z}{R_L} = \frac{5{,}1}{510} = \textbf{10 mA}$$

b) Corrente total (corrente em RS): $$I_S = \frac{V_S - V_Z}{R_S} = \frac{12 - 5{,}1}{100} = \frac{6{,}9}{100} = \textbf{69 mA}$$

c) Corrente no Zener: $$I_Z = I_S - I_L = 69 - 10 = \textbf{59 mA}$$

a) Potência no Zener: $$P_Z = V_Z \times I_Z = 5{,}1 \times 0{,}059 = \textbf{301 mW}$$

b) Potência em RS: $$P_{RS} = I_S^2 \times R_S = (0{,}069)^2 \times 100 = 0{,}004761 \times 100 = \textbf{476 mW}$$ (ou P = (VS-VZ)² / RS = 6,9²/100 = 476 mW)

c) Verificação dos limites: - PZ(calculada) = 301 mW < PZ(max) = 500 mW → dentro do limite ✓ - IZ(calculada) = 59 mA < IZ(max) = 85 mA → dentro do limite ✓ - O díodo opera com segurança, mas com margem reduzida. Recomendaria usar um Zener de 1 W para ter maior margem.

a) IL = VZ / RL = 5,1 / 51 = 100 mA IS = (VS – VZ) / RS = 6,9 / 100 = 69 mA IZ = IS – IL = 69 – 100 = –31 mA

b) IZ = –31 mA é negativo — fisicamente impossível num Zener (não conduz em directa com tensão abaixo de Vf ≈ 0,7 V).

Isto significa que a fonte não consegue fornecer corrente suficiente para a carga e manter o Zener em regulação. O circuito sai da regulação — Vout cai abaixo de 5,1 V e é determinada pelo divisor (VS × RL/(RS+RL) = 12 × 51/151 ≈ 4,0 V).

Para manter regulação com RL = 51 Ω, seria necessário reduzir RS: IS(mínimo) = IL + IZ(min) = 100 + 5 = 105 mA RS(max) = (VS – VZ) / IS = 6,9 / 0,105 = 65,7 Ω → usar 56 Ω ou 47 Ω

a) Tensão de pico necessária antes do Zener:

Para regulação correcta: VS(regulador) ≥ VZ + 3 V = 5,1 + 3 = 8,1 V DC (mínimo)

A tensão DC real é: VDC = Vpico – Vripple/2 Com ripple de 1 V (a calcular em ex. 2): Vpico = 8,1 + 0,5 = 8,6 V (mínimo após filtro) Com queda em 2 díodos (ponte): Vpico(transformador) = 8,6 + 1,4 = 10 V

b) Tensão RMS do secundário: $$V_{sec(RMS)} = \frac{V_{pico}}{\sqrt{2}} = \frac{10}{1{,}414} = \textbf{7,07 V RMS}$$

Escolher transformador normalizado: 9 V RMS, 1 A (Vpico = 12,7 V — mais que suficiente, com margem para variação da rede)

a) Vpico após ponte: $$V_{pico} = 9 \times \sqrt{2} - 2 \times 0{,}7 = 12{,}73 - 1{,}4 = \textbf{11,3 V}$$

b) Capacidade mínima: $$C_{min} = \frac{I_{carga}}{f_{ripple} \times V_{ripple}} = \frac{0{,}5}{100 \times 1{,}0} = \textbf{5000 µF}$$

c) Especificação do condensador: - Capacidade: 5600 µF ou 6800 µF (próximo valor E6 superior a 5000 µF) - Tensão de trabalho: Vpico × 1,25 = 11,3 × 1,25 ≈ 14,1 V → usar 16 V (próximo valor normalizado) - Tipo: electrolítico alumínio, polar - Especificação final: 6800 µF / 16 V (electrolítico radial)

a) Dimensionamento de RS: $$R_S = \frac{V_{DC} - V_Z}{I_Z + I_L} = \frac{10{,}8 - 5{,}1}{0{,}020 + 0{,}500} = \frac{5{,}7}{0{,}520} = \textbf{10,96 Ω} \approx \textbf{10 Ω}$$

b) Potência em RS: $$P_{RS} = (I_Z + I_L)^2 \times R_S = (0{,}520)^2 \times 10 = 0{,}270 \times 10 = \textbf{2,7 W}$$ Especificação: resistência de 10 Ω / 5 W (margem de ×2)

c) PZ(max) — quando carga é zero (IL = 0): IS = (VDC – VZ) / RS = 5,7 / 10 = 570 mA PZ(sem carga) = VZ × IS = 5,1 × 0,570 = 2,91 W >> Pmax Zener (500 mW) → Zener inadequado!

Alternativa: usar regulador integrado 7805 (78xx série): - Entrada (Vin) = 10,8 V, saída = 5,0 V fixo - Corrente máxima: 1,5 A (TO-220) - Queda (dropout) = Vin – Vout = 5,8 V × 0,5 A = 2,9 W → adicionar dissipador térmico - Muito mais eficiente e estável que Zener para cargas variáveis

Notas de montagem: 1. O 7805 necessita de dissipador: Pd = (Vin – 5V) × IL = 5,8 × 0,5 = 2,9 W 2. C2 (100 nF) deve ficar fisicamente próximo dos pinos do 7805 3. C3 (10 µF) na saída do 7805 melhora a estabilidade 4. F1 protege o transformador de curto-circuito