dúvida sobre fonte CA/CC

[marcao_cfh]

Olá. Estou estudando alguma coisinha da teoria de eletrônica (finalmente  ) e comecei pela fonte de alimentação. Uma fonte bem básica, só com o transformador, ponte de diodos e o capacitor para reduzir o ripple (tem algum nome em português?). Já entendi a função de cada componente na fonte, mas ainda tenho algumas dúvidas. Como calculo a tensão de saída após a ponte de diodos e também o valor do capacitor?

[xformer]

- Ripple = ondulação

- Tensão de saída após a ponte retificadora (4 diodos) vai depender do consumo de corrente da fonte. Se não houver uma carga ligada ou que seja bem pouco consumo de corrente, pode-se considerar  Vsaída = Vrms do secundário do transformador x 1,41 - (2 x 0,7V), ou seja a tensão de pico menos a queda de tensão que vai ocorrer nos diodos da ponte (cada semi-ciclo passa por dois diodos).  Ocorre que com o aumento da corrente consumida, a tensão perdida (forward voltage) nos diodos aumenta um pouco (até 1V por diodo).  Se usar diodos schottky ou mais rápidos, a tensão perdida pode ser menor (0,3V a 0,4V por diodo). Além disso, uma corrente de consumo maior, implica em um aumento do ripple, o que resulta em uma menor tensão média de saída, assim o que se faz é usar um método gráfico que usa as curvas de Schade para achar o valor dos capacitores de filtragem.  Na prática podemos usar uma regra de pelo menos 1000uF para cada 1A de consumo da fonte.

Como em muitos poucos casos se usa uma fonte não regulada (apenas retificada e filtrada), a melhor forma de se fazer uma fonte DC que não dependa muito da corrente consumida, é usar um circuito regulador (linear ou chaveado), que praticamente some com o ripple e  mantém a tensão de saída constante, independente da carga.

[marcao_cfh]

Para ver se eu entendi: digamos que eu tenha um transformador com saída 12V e 500mA, capacitor de 500uF e diodos 1N4001. Divido os 12V por raiz de 2 para achar Vrms, multiplico por pi e subtraio 1,4V dos diodos. Daria cerca de 25,26V sem carga. É isso?

[Gfassuncao]

Não, você deve multiplicar 12 por 1,41

[kem]

Não, você deve multiplicar 12 por 1,41

Isso, e subtrair os 0,7V x 2 de tensão nos diodos. Você vai ter algo como 15.5V na saida, sem carga.

[xformer]

Para ficar mais claro, vamos ilustrar o que acontece.

Um transformador é uma fonte CA (corrente e tensão alternadas). Veja nos desenhos, que a tensão (linha verde) vai de um valor negativo a um valor positivo, subindo e descendo gradualmente e passando pelo 0V duas vezes a cada ciclo (são mostrados 3 ciclos).

O valor máximo é chamado de valor de pico positivo assim como o valor mínimo é chamado de valor de pico negativo. A diferença entre esses dois valores é chamado de amplitude ou valor pico a pico. No caso do desenho temos valores de pico de +16,967V e -16,967V com amplitude total de 33,934V.

Veja que partimos de um transformador com secundário de 12V alternados e no gráfico temos valores de pico de 16,694V. Qual a relação entre estes dois valores ? Por que são diferentes em valor ?

O secundário de um transformador tem sua tensão especificada em tensão eficaz (rms = root mean squared = raiz quadrada da média dos quadrados) que para uma tensão senoidal equivale ao valor de pico (mostrado no gráfico) dividido por raiz de 2 (=1,414).  

Assim temos que:
Vrms = Vpico / 1,414
ou mudando de evidência  
Vpico = Vrms x 1,414

No nosso exemplo:
Vpico = 12Vrms x 1,414 = 16,968V  
(tem uma pequena perda de tensão por causa do enrolamento do transformador que tem 200miliohms).

Agora se usarmos uma ponte retificadora com diodos 1N5822 (schottky), a tensão sobre a carga resistiva de 10kohms se torna a tensão pulsada representada pela linha vermelha. Veja que o semiciclo negativo se rebate para cima e se torna positivo visto pela carga.

Mas veja que a tensão sobre a carga é pulsante (sobe e desce) com muita ondulação. Isso faz com que a tensão média sobre a carga seja menor do que a própria tensão eficaz (rms) fornecida pelo transformador. No caso, a tensão média é de 10,559V.

Além disso há uma pequena perda de tensão sobre cada diodo, mas mesmo assim a tensão de pico sobre a carga é quase igual à tensão de pico sem retificação (16,694 contra 16,967V).

Vejamos o que acontece se trocarmos os 1N5822 por diodos 1N4007 mais comuns e mais usados por todos:

Observem que a tensão sobre a carga caiu um pouco e a linha vermelha desceu e descolou da linha verde. Isso ocorre porque a perda de tensão (forward voltage) sobre os 1N4007 é maior, diminuindo o rendimento da fonte. O valor de pico retificado cai para 15,667V (contra 16,694V do 1N5822).

Pra melhorar a fonte e aumentar a tensão média sobre a carga, acrescentamos um capacitor de filtragem. Ele vai se carregar e manter uma tensão mínima sobre a carga (tensão que sem o capacitor caía para zero a cada semiciclo). Com um capacitor de 1000uF, a tensão média vai para 15,463V, que é mais ou menos 12Vrms x 1,414 - (2 x 0,75V).

Como a carga consome pouca corrente, o capacitor quase não se descarrega, então há pouca ondulação (ripple).


Mas se a carga resistiva consumir mais corrente (diminuir a resistência de 10kohms para 24 ohms), veja o que ocorre:

Vejam que a linha vermelha voltou a ter uma ondulação, onde existem períodos onde o capacitor se carrega e períodos onde ele se descarrega (a linha vermelha desce). Isso resulta em: diminuição da tensão média (agora 12,525V) e um aumento da ondulação (tensão mínima de 10,407V e máxima de 15,351V = 4,94V de variação).

Se diminuirmos o capacitor para 500uF, pioramos a filtragem:

A tensão média cai para 12,056V, a mínima vai para 8,9371V com aumento da ondulação (ripple) pois o capacitor se descarrega mais.

Se aumentarmos o capacitor de filtragem para 2000uF:

Aumentaremos a tensão média (12,666V), a tensão mínima (11,109V) e diminuímos o ripple (variação de 4,23V).

Por fim voltamos com os 1N5822 pra ter menor perda de tensão sobre os diodos:


Como a tensão mínima é de 11,44V, não tem como montar uma fonte regulada linear de 12Vdc com esse transformador de 12Vrms, pois não haverá tensão suficiente para manter sempre 12V constantes na carga. Por isso tem que haver uns 3V a mais de tensão rms (alternada) para se conseguir o mesmo valor de tensão regulada DC através de um regulador de tensão linear (do tipo do LM7812 ou LM317 que precisam de 2 a 3V a mais na entrada deles do que a tensão saída). Mas com um regulador do tipo chaveado é possível se obter uma tensão de saída constante e maior do que a de entrada.

[marcao_cfh]

Entendi. Muito obrigado, xformer, foi uma verdadeira aula!

[Sávio_RJ]

Amigos, me sanem algumas pequenas dúvidas?

O contexto:

Tenho uma fonte com um transformador de ótima qualidade (110Vac no primário e 13.5Vac no secundário) que, com a ponte de diodos, cai de 13.5Vac para 12Vdc de saída, obviamente, já que os diodos derrubam a voltagem em cerca de 1.4V. Ela também possui 4 capacitores cerâmicos de 0.01uF (cada um em paralelo com cada diodo 1N4001 da ponte retificadora) e ainda 1 capacitor eletrolítico de 1000uF/25V para filtragem, após a ponte de retificação. Por fim, em paralelo com o eletrolítico de 1000uF, há um resistor parrudinho (não sei se de 1/2 ou 1W - ele tem 1 centímetro de comprimento) de 1K Ohms.

Esta fonte é a Shure Modelo PS20 (saída de 12Vdc - 400mA), não estabilizada, que serve para alimentar um transmissor que recebe 12Vdc e consome 160mA de corrente.

Bem, agora as perguntas:

1 – Para que servem os 4 capacitores cerâmicos de 0.01uF (103) em paralelo com cada diodo da ponte retificadora? Já vi utilizarem apenas 1 capacitor desses em paralelo logo na saída do secundário mas 4 em paralelo com os diodos eu nunca tinha visto.

2 – Para que serve o resistor de 1K em paralelo com o eletrolítico de 1000uF? Sei que quando queremos descarregar um capacitor, utilizamos um resistor mais parrudinho para isso, mas qual seria o objetivo dele nessa fonte (sobretudo em funcionamento)?

3 - Ainda com relação a esse resistor de 1K, percebi que ele possui as cores MARROM, PRETO, VERMELHO e OURO e que é maiorzinho do que um resistor normal de 1/4 de Watt. E medindo ele, vi que chega a 1cm de comprimento. Mas não consigo identificar se ele é de 1/2 ou de 1 Watt. Considerando os dados que informei acima da fonte (400mA e consumo pelo aparelho de 160mA, e sabendo que o eletrolítico é de 1000uF), é possível saber se ele é de 1/2W, 1W ou mesmo de 2W?
-----Mais perguntas (agora sobre outra fonte muito parecida com a primeira):

O contexto:

Tenho uma outra fonte com um transformador também de ótima qualidade (110Vac no primário e 13.5Vac no secundário) que, com a ponte de diodos, cai de 13.5Vac para 12Vdc de saída, obviamente, já que os diodos derrubam a voltagem em cerca de 1.4V. Ela também possui 4 capacitores cerâmicos (103) de 0.01uF (cada um em paralelo com cada diodo 1N5391 da ponte retificadora). Como se vê, ela não é regulada e entrega 12V na saída, que às vezes varia um pouquinho conforme a tensão da rede elétrica, mas o transformador me parece tão bacana que sempre entrega algo muito próximo a 12VDC mesmo sem regulador de voltagem!

Esta fonte eu pretendo utilizar com um aparelho que recebe de 12 a 18VDC e consome 160mA de corrente (o mesmo aparelho mencionado no post acima).

Bem, agora as perguntas:

1 – Por que utilizaram diodos 1N5391 (50V – 1.5 A) ao invés dos tradicionais 1N4001 (50V – 1 A)? Além de fornecerem um pouco mais de amperagem, eles são melhores dos que os 1N400x em algo mais?

2 – Se eu adicionar um eletrolítico (filtro) de 1000uF com um resistor de 1K em paralelo com ele (exatamente como no circuito da outra fonte mencionada no post acima), o que vai acontecer? Ele vai continuar fornecendo os 12VDC ou a voltagem ou corrente vão se alterar (sobretudo quando em uso)?

[xformer]

Os capacitores cerâmicos em paralelo com os diodos tem o papel de supressores de ruídos gerados na comutação durante a retificação.
Alguns diodos como os comuns da série 1N400X são lentos no tempo de recuperação da tensão reversa, ou seja, quando eles estão no semi-ciclo em que conduzem e passa para o semi-ciclo oposto em que não deveriam conduzir, ele demora a desligar e isso gera um pulso negativo (ruído) no sinal retificado. Esse tempo de recuperação é de até 30us nesses diodos.  Já esse 1N5391, além de ter maior capacidade de corrente, é mais rápido no desligamento (2us), o que deve produzir pulsos e ruídos mais fracos, ficando assim uma fonte mais silenciosa. Existem diodos mais rápidos (1N493X, com tempo de 200ns) usados em fontes chaveadas.
O uso do resistor de 1k ohms serve pra deixar uma carga mínima (consumo) para a fonte e descarregar o capacitor quando a fonte for desligada e sem alimentar um aparelho. A potência que ele precisa dissipar é 12V^2/1000 = 0,144W.  Provavelmente seu resistor deve ser de 1/2W pra cima.  Como o consumo de corrente desse resistor é de 12mA, pode ligar o capacitor e resistor na sua segunda fonte que não vai alterar muita coisa.

[Sávio_RJ]

Muito obrigado, xformer! Respondeu a todas as minhas dúvidas e foi preciso nas respostas. Tudo perfeitamente entendido!

[rafaperotto]

XFormer, bela explicação sobre o funcionamento da fonte. Imagens tiradas de osciloscópio (ou simulação de circuitos) sempre ajudam muito.

Sei que existem já diversas discussões e dezenas de modelos de fonte aqui no fórum, mas não achei exatamente essa informação. Qual seria um valor de ripple admissível? que não leva a ruídos perceptíveis, principalmente em pedais de distorção? Montei uma fonte com o projeto bem padrão que circula por aqui (o projeto do GrAmorim), e estou medindo no osciloscópio um ripple de aprox. 350 mV depois do regulador (7809). Só gostaria de ter uma base de comparação desse valor com o que vocês costumam encontrar em suas fontes.

[xformer]

XFormer, bela explicação sobre o funcionamento da fonte. Imagens tiradas de osciloscópio (ou simulação de circuitos) sempre ajudam muito.

Sei que existem já diversas discussões e dezenas de modelos de fonte aqui no fórum, mas não achei exatamente essa informação. Qual seria um valor de ripple admissível? que não leva a ruídos perceptíveis, principalmente em pedais de distorção? Montei uma fonte com o projeto bem padrão que circula por aqui (o projeto do GrAmorim), e estou medindo no osciloscópio um ripple de aprox. 350 mV depois do regulador (7809). Só gostaria de ter uma base de comparação desse valor com o que vocês costumam encontrar em suas fontes.

Na verdade tem um erro nas simulações que eu fiz. Usei um capacitor com ESR (resistência equivalente em série) um pouco alta em comparação a um capacitor real (a menos que ele esteja muito estragado). Algo pra baixo de 0,5 ohm seria melhor.  Dessa forma, o ripple nas simulações seria consideravelmente menor.

Sobre o ripple do regulador, veja na tabela da datasheet abaixo, que o ripple presente na entrada do regulador seria atenuado em 56dB (630 vezes) na saída. Então deve ter algo errado no seu regulador pra ter um ripple de 0,35V, pois seria necessário ter 220V de ripple pico a pico na entrada, o que é impossível.  Veja se na entrada, o ripple não cai abaixo da tensão mínima de entrada (11V para o 7809), aí nesse caso o regulador não funciona direito.  Outra coisa importante é ter o capacitor de 100nF na saída (entre o pino de saída e o terra).  Ele elimina essas oscilações.
Em tese é pra não ter quase nada de ondulação na saída (ou coisa de poucos milivolts).




Veja esse medidor de ESR que tem uma tabela da ESR máxima dependendo do valor de capacitância e tensão do capacitor testado: