Uma fonte de alimentação é um dos circuitos mais interessantes para quem está começando a estudar eletrônica.
O princípio básico é transformar a tensão alternada disponível na rede elétrica em uma tensão adequada para alimentar determinado circuito ou equipamento.
Neste projeto, montei uma fonte bastante simples com saída destinada principalmente ao carregamento lento de baterias seladas de 12 V, como aquelas utilizadas em no-breaks.
A montagem utiliza poucos componentes:
transformador;
diodos;
capacitor;
fusível;
chave liga/desliga.
É um circuito simples, mas permite compreender vários conceitos fundamentais da eletrônica.
Para que construí esta fonte?
Minha intenção principal era ter uma pequena fonte para carregar lentamente baterias seladas.
Por isso utilizei um transformador de:
12 V / 500 mA.
A corrente relativamente baixa era proposital, pois eu queria realizar uma carga lenta.
A mesma montagem também ajuda a entender como funciona uma fonte de alimentação convencional.
Antes de começar: atenção à rede elétrica
Este projeto possui uma diferença importante em relação a pequenos circuitos alimentados por pilhas ou baterias:
o transformador é conectado diretamente à rede elétrica.
Isso significa trabalhar com uma tensão potencialmente letal.
A parte do circuito conectada à rede deve ficar completamente isolada e protegida dentro de uma caixa apropriada.
Nunca manipule a montagem energizada.
Se você ainda não possui experiência trabalhando com tensão de rede, utilize este projeto para compreender o circuito, mas faça a montagem com acompanhamento de alguém qualificado.
Os componentes utilizados
Na montagem original utilizei:
- 1 transformador de 12 V / 500 mA;
- 1 chave H-H;
- 1 fusível;
- 1 porta-fusível;
- 2 diodos 1N4007;
- 1 capacitor eletrolítico de 1000 µF / 25 V;
- 2 garras jacaré para conexão à bateria.
Podemos dividir a fonte em blocos
Em vez de olhar para todos os componentes ao mesmo tempo, podemos pensar na fonte em etapas:
Rede elétrica
↓
Transformador
↓
Retificação
↓
Filtragem
↓
Saída em corrente contínua
Cada bloco possui uma função.
Entender essa sequência é muito mais importante do que simplesmente copiar as ligações.
O transformador
O primeiro componente é o transformador.
Ele possui dois lados principais:
primário
e
secundário.
O primário é conectado à rede elétrica.
O secundário fornece uma tensão menor e isolada eletricamente do primário.
No meu caso, utilizei um transformador cujo secundário fornece:
12 V / 500 mA.
Os 12 V do transformador são alternados
Esse detalhe é fundamental.
Quando dizemos que o transformador possui saída de 12 V, estamos falando de:
12 V AC
ou:
12 V em corrente alternada.
Ainda não temos uma saída DC adequada simplesmente porque passamos pelo transformador.
Precisamos realizar outra etapa:
a retificação.
Para que servem os diodos?
Os diodos permitem a passagem da corrente predominantemente em um sentido.
Essa característica possibilita utilizá-los para transformar uma tensão alternada em uma tensão pulsante de polaridade única.
Na minha montagem utilizei:
2 diodos 1N4007.
O 1N4007 é um diodo retificador muito conhecido e frequentemente utilizado em fontes de alimentação de baixa frequência.
Por que dois diodos?
O uso de dois diodos é compatível com uma configuração de retificação de onda completa quando temos um transformador com derivação central no secundário.
Nesse arranjo, cada diodo conduz durante uma parte do ciclo da tensão alternada.
O resultado é uma tensão retificada utilizando os dois semiciclos.
É diferente da conhecida ponte retificadora de quatro diodos, mas o objetivo é semelhante:
obter uma tensão de polaridade definida a partir da tensão alternada.
O que acontece depois da retificação?
Depois dos diodos, ainda não temos uma tensão perfeitamente contínua.
Temos uma forma de onda pulsante.
Podemos imaginar:
AC senoidal
↓
retificação
↓
DC pulsante.
Para melhorar essa tensão utilizamos um capacitor.
O capacitor de 1000 µF
Na fonte utilizei um capacitor eletrolítico de:
1000 µF / 25 V.
Sua função é ajudar na filtragem da tensão retificada.
Durante os picos da tensão, o capacitor armazena energia.
Entre esses picos, ele fornece parte dessa energia para a carga.
Isso reduz a variação da tensão na saída.
O capacitor funciona como um pequeno reservatório de energia
Podemos imaginar uma analogia com um reservatório de água.
A entrada não fornece água continuamente na mesma intensidade.
O reservatório enche quando há maior fornecimento e entrega água quando o fornecimento diminui.
O capacitor realiza algo conceitualmente semelhante eletricamente:
carrega
e
descarrega.
Com isso, a tensão fica menos pulsante.
O que é ripple?
Mesmo depois da filtragem, normalmente ainda existe alguma variação sobre a tensão contínua.
Essa ondulação é chamada de:
ripple.
Quanto maior a corrente exigida pela carga e menor a capacitância utilizada, maior tende a ser essa ondulação, considerando as demais condições iguais.
Por isso, o capacitor de filtro possui papel importante no comportamento da fonte.
Atenção à polaridade do capacitor eletrolítico
O capacitor utilizado possui polaridade.
Encontramos:
terminal positivo
e
terminal negativo.
Ele precisa ser conectado corretamente.
Inverter um capacitor eletrolítico em uma fonte pode danificá-lo e criar uma situação perigosa.
Antes de energizar a montagem, confira a polaridade.
O que significa 1000 µF / 25 V?
Temos duas informações diferentes.
1000 µF representa a capacitância.
25 V representa a tensão máxima de trabalho especificada para o componente.
Não devemos confundir essas duas grandezas.
Um capacitor de:
1000 µF / 25 V
não “fornece 25 V”.
Ele possui capacitância de 1000 µF e foi especificado para trabalhar até determinada tensão máxima.
A saída não é necessariamente exatamente 12 V DC
Esse é um ponto muito importante ao estudar fontes.
Um transformador especificado como 12 V AC não significa que, depois dos diodos e do capacitor, encontraremos exatamente:
12,00 V DC.
A tensão AC indicada no transformador normalmente corresponde a um valor eficaz, ou RMS.
O valor de pico de uma senoide é maior.
Podemos aproximar:
Vpico ≈ Vrms × 1,414
Para 12 V:
Vpico ≈ 12 × 1,414
Vpico ≈ 17 V
Depois precisamos considerar as quedas nos diodos e o comportamento do circuito sob carga.
Portanto, é perfeitamente possível medir na saída filtrada uma tensão superior aos 12 V nominais do secundário, especialmente sem carga.
A tensão também varia com a carga
Quando não existe carga conectada, podemos medir determinado valor.
Quando começamos a retirar corrente, a tensão pode cair.
Isso depende de:
transformador;
retificação;
capacitor;
corrente consumida.
Por isso é importante medir a fonte nas condições em que ela realmente será utilizada.
Esta fonte não é estabilizada
Na montagem original não procurei fazer uma fonte estabilizada, porque isso não era necessário para a aplicação que eu pretendia.
Isso significa que não existe um estágio regulador mantendo eletronicamente uma tensão fixa de saída.
Temos basicamente:
transformação + retificação + filtragem.
Portanto, chamar a saída simplesmente de “12 V fixos” pode causar confusão do ponto de vista técnico.
O transformador é de 12 V, mas a tensão DC depois da retificação e filtragem depende das condições de funcionamento.
Fonte filtrada e fonte regulada não são a mesma coisa
Essa diferença é importante.
Uma fonte pode ser:
retificada
e:
filtrada
sem ser:
regulada.
A filtragem reduz a ondulação.
A regulação procura manter a tensão de saída em determinado valor apesar de variações dentro das condições previstas.
Neste projeto não incluí um regulador.
Poderíamos acrescentar regulação?
Sim, dependendo da finalidade da fonte.
Existem várias maneiras de fazer isso.
Podemos utilizar:
reguladores lineares;
conversores chaveados;
circuitos reguladores ajustáveis.
Mas isso já transforma o projeto em outro tipo de fonte.
Para compreender os fundamentos, esta montagem simples é bastante interessante.
O limite de 500 mA vem principalmente do transformador
O transformador utilizado foi especificado para:
12 V / 500 mA.
Portanto, não devemos imaginar que podemos ligar qualquer equipamento de 12 V simplesmente porque a tensão parece adequada.
A corrente também importa.
Se um equipamento exigir:
2 A
esta pequena fonte não foi dimensionada para essa carga.
Tensão correta não significa fonte adequada
Imagine dois equipamentos:
Equipamento A → 12 V / 200 mA
Equipamento B → 12 V / 2 A
Os dois trabalham com 12 V.
Mas suas necessidades de corrente são completamente diferentes.
Uma fonte capaz de alimentar o primeiro não necessariamente consegue alimentar o segundo.
É por isso que precisamos analisar:
tensão
e
corrente.
O fusível é um componente importante
Incluí também:
fusível
e
porta-fusível.
O fusível é um elemento de proteção.
Quando ocorre uma corrente acima da condição para a qual o sistema foi projetado, ele pode interromper o circuito.
Isso ajuda a reduzir as consequências de determinadas falhas.
O fusível não deve ser escolhido aleatoriamente
Colocar qualquer fusível que encontramos na bancada não é uma boa prática.
Sua especificação precisa considerar:
corrente normal do circuito;
corrente de partida;
características do transformador;
posição em que está instalado.
Um fusível superdimensionado pode deixar de oferecer a proteção esperada.
A chave liga/desliga
Também utilizei uma chave H-H para ligar e desligar a fonte.
A chave que usei possuía um LED interno, permitindo visualizar facilmente quando a fonte estava ligada.
É um detalhe simples, mas muito útil.
Ao olhar para a caixa conseguimos saber imediatamente se o equipamento está energizado.
Instalei chave e porta-fusível na caixa
Na caixa Patola fiz dois furos destinados justamente à instalação:
da chave
e
do porta-fusível.
Depois os componentes foram fixados mecanicamente na própria caixa.
Isso é muito melhor do que deixar elementos ligados à rede elétrica soltos sobre a bancada.
Veja abaixo que montei todo o conjunto dentro de uma caixa do tipo patola. Mas você pode montar o seu circuito onde preferir.
No detalhe abaixo podemos ver os 2 furos que foram feitos na caixinha para acomodar perfeitamente a chave H-H e também o porta fusível. A chave H-H que usei é do tipo que contém um LED interno, e quando ligada o mesmo acende facilitando a identificação.
Na imagem abaixo é possível observar tanto a chave H-H quanto o porta fusível instalados no seu lugar.
Após essa parte, vem a montagem do circuito. O circuito é muito simples. Nas imagens abaixo você encontra o circuito circuito soldado. Devido à grande simplicidade do circuito a montagem utilizada foi do tipo “aranha”. Assim os terminais de um componente são soldados aos terminais do outro componente.
Depois é só colocar todo o circuito instalado dentro da caixinha e ligar na tomada. Veja que não instalei chave para trocar a tensão de entrada. A tensão de entrada está dependente do transformador que possui seu primário para 110 Volts. Não procurei fazer a fonte estabilizada já que não tinha essa necessidade para minha aplicação.
A caixa não serve apenas para deixar bonito
O gabinete possui uma função de segurança extremamente importante.
Dentro da fonte existem pontos ligados à rede.
Esses pontos não podem ficar acessíveis durante o uso normal.
A caixa também protege:
fios;
soldas;
componentes;
conexões.
Um circuito conectado à rede nunca deveria ficar simplesmente exposto sobre uma mesa durante sua utilização.
A montagem foi feita do tipo “aranha”
Como o circuito possui poucos componentes, não utilizei placa de circuito impresso.
Fiz uma montagem conhecida popularmente como:
montagem aranha.
Os terminais dos componentes são soldados diretamente uns aos outros.
Para pequenos circuitos experimentais, essa técnica pode ser bastante prática.
Montagem aranha não significa montagem desorganizada
Mesmo sem uma placa, precisamos manter:
ligações mecanicamente firmes;
isolamento adequado;
distância entre pontos;
polaridades corretas.
E, principalmente neste projeto, precisamos manter a região ligada à rede devidamente protegida.
Separe fisicamente primário e secundário
Essa é uma prática importante em qualquer montagem com transformador.
De um lado temos a região ligada à rede:
entrada AC → fusível → chave → primário.
Do outro temos a parte de baixa tensão:
secundário → diodos → capacitor → saída.
Manter essas regiões fisicamente bem separadas melhora a segurança da montagem.
O transformador também proporciona isolamento
Um transformador convencional apropriado para esse tipo de aplicação possui isolamento galvânico entre primário e secundário.
Isso significa que a saída não é simplesmente uma ligação elétrica direta com a rede.
Esse isolamento é uma das razões pelas quais o transformador é tão importante nesse tipo de fonte.
A minha fonte foi construída para uma tensão específica de rede
Na montagem original, não instalei uma chave seletora de tensão.
O transformador utilizado possuía primário destinado a 110 V.
Portanto, essa montagem original não deve ser simplesmente conectada a uma rede de tensão diferente.
Esse detalhe é especialmente importante hoje, quando o mesmo conteúdo pode ser consultado por pessoas em diferentes países e regiões.
Confira sempre a tensão da sua rede
Antes de utilizar qualquer transformador, verifique a especificação do primário.
Podemos encontrar transformadores projetados para diferentes tensões ou com enrolamentos que permitem configurações específicas.
Nunca presuma que:
“é um transformador de 12 V, então posso ligar em qualquer tomada.”
Os 12 V referem-se ao secundário.
O primário precisa ser compatível com a rede elétrica utilizada.
Como testar uma fonte depois da montagem?
Antes de conectar qualquer bateria ou equipamento, o primeiro teste deve ser feito sem carga.
Com o multímetro na escala adequada, podemos verificar a saída.
Confirme:
polaridade;
tensão DC;
estabilidade aparente.
Se o valor estiver muito diferente do esperado, desligue a fonte e revise a montagem.
Depois podemos testar com uma carga adequada
Medir apenas sem carga não é suficiente para avaliar completamente uma fonte.
Podemos conectar uma carga conhecida e observar:
tensão;
corrente;
aquecimento do transformador;
comportamento geral.
Isso ajuda a identificar problemas antes de conectar um equipamento mais valioso.
As garras jacaré facilitam a conexão
Como minha aplicação principal era a conexão a baterias, utilizei:
duas garras jacaré.
Isso facilita conectar os terminais da fonte aos bornes da bateria.
Mas existe um cuidado fundamental:
polaridade.
Identifique claramente positivo e negativo
Não dependa apenas da memória.
Utilize identificação visual clara.
Antes de conectar uma bateria, confira:
positivo da fonte → positivo da bateria
negativo da fonte → negativo da bateria.
Uma conexão invertida pode causar danos e correntes elevadas.
Muito cuidado ao chamar uma fonte simples de “carregador de baterias”
Aqui existe uma distinção importante.
Uma fonte DC simples não é automaticamente um carregador adequado para qualquer bateria.
Cada química de bateria possui requisitos próprios de carga.
Existem baterias:
chumbo-ácido;
NiCd;
NiMH;
Li-ion;
LiPo;
LiFePO4.
Os métodos de carga são diferentes.
Não utilize esta montagem para carregar baterias de lítio
Baterias de lítio exigem controle apropriado de carga.
Uma fonte simples composta por transformador, diodos e capacitor não deve ser tratada como substituta de um carregador específico para:
Li-ion
ou
LiPo.
No projeto original, a utilização era voltada para baterias seladas como aquelas encontradas em no-breaks.
Mesmo baterias seladas exigem atenção
A bateria precisa ser compatível com:
tensão aplicada;
corrente;
método de carga;
tempo de carregamento.
A ideia de que “carga lenta é sempre segura” não deve ser utilizada como regra universal.
A especificação do fabricante da bateria deve prevalecer.
A corrente nominal do transformador não é um controlador de carga
Outro ponto importante para atualizar esse projeto é compreender que um transformador de 500 mA não significa necessariamente:
“a bateria receberá exatamente 500 mA durante toda a carga.”
A corrente real dependerá do circuito e das diferenças de tensão existentes.
Portanto, para um carregador tecnicamente controlado, precisamos de uma topologia especificamente projetada para a bateria utilizada.
Como projeto didático, entretanto, esta fonte ensina muito
Podemos observar praticamente toda a sequência fundamental de uma fonte linear simples:
transformação
↓
retificação
↓
filtragem
↓
alimentação da carga.
E conseguimos associar cada etapa a componentes reais.
Podemos medir a tensão antes e depois dos diodos
Com os procedimentos adequados de segurança, podemos estudar o secundário do transformador.
Antes da retificação temos:
tensão alternada.
Depois da retificação:
tensão pulsante de polaridade definida.
Depois do capacitor:
tensão DC com menor ondulação.
É uma excelente experiência para compreender aquilo que os diagramas mostram nos livros.
Com um osciloscópio fica ainda mais interessante
Podemos visualizar as formas de onda em diferentes pontos da parte isolada de baixa tensão, desde que o procedimento e o equipamento de medição sejam adequados.
Primeiro vemos uma senoide.
Depois vemos a forma retificada.
Depois observamos o efeito do capacitor.
Assim, conceitos como:
AC;
DC;
retificação;
filtragem;
ripple
deixam de ser apenas teoria.
O capacitor altera visualmente a forma de onda
Se analisarmos o circuito retificado sem filtragem e depois acrescentarmos o capacitor, conseguimos perceber claramente sua função.
Esse tipo de experiência é extremamente interessante porque mostra que o capacitor não está ali simplesmente porque “o esquema manda colocar”.
Existe uma função concreta.
Também podemos estudar a queda de tensão nos diodos
Um diodo real não se comporta como um componente ideal.
Quando conduz, existe uma queda de tensão.
Podemos medir essa diferença e relacioná-la com a tensão observada na saída.
Assim começamos a perceber que os componentes reais possuem características que precisam ser consideradas nos projetos.
Podemos estudar o efeito da carga
Outra experiência interessante é comparar:
fonte sem carga
com:
fonte com carga.
A tensão pode mudar.
O ripple pode aumentar.
O transformador pode aquecer mais.
Tudo isso ajuda a compreender que uma fonte de alimentação precisa ser projetada considerando aquilo que será conectado à sua saída.
Uma fonte é muito mais do que “transformar 110 V em 12 V”
O transformador realiza apenas uma das etapas.
Uma fonte DC convencional pode envolver:
redução ou transformação da tensão;
isolamento;
retificação;
filtragem;
regulação;
proteção.
Neste projeto utilizamos uma versão bastante simples desse processo, sem estágio de estabilização.
Por que começar por uma fonte simples?
Porque ela reúne componentes básicos encontrados em inúmeros equipamentos eletrônicos.
Quando abrimos um aparelho mais antigo, frequentemente encontramos:
transformador;
diodos;
capacitores.
Se compreendemos essa pequena fonte, começamos a reconhecer blocos semelhantes em circuitos muito maiores.
A fonte é uma ótima porta de entrada para eletrônica
Com apenas alguns componentes conseguimos estudar:
tensão alternada;
tensão contínua;
transformadores;
diodos;
capacitores;
corrente;
potência;
fusíveis;
segurança elétrica.
É difícil encontrar um circuito tão simples que reúna tantos conceitos fundamentais.
Como ficou minha montagem
Depois de instalar a chave e o porta-fusível, montei o circuito através da técnica de montagem aranha e coloquei tudo dentro da caixa Patola.
A fonte original ficou baseada em:
transformador de 12 V / 500 mA;
dois diodos 1N4007;
capacitor de 1000 µF / 25 V;
fusível;
chave liga/desliga;
garras jacaré na saída.
Não acrescentei regulador de tensão porque, para a aplicação que pretendia na época, não havia essa necessidade.
Um projeto simples que ajuda a entender circuitos muito maiores
Depois que entendemos esta fonte, podemos evoluir para projetos com:
ponte retificadora;
capacitores maiores;
reguladores lineares;
proteção contra curto-circuito;
limitação de corrente;
saída ajustável;
voltímetro e amperímetro.
Mas o princípio continua começando pelos mesmos blocos básicos.
É exatamente isso que torna esse pequeno projeto interessante.
Você pode olhar para uma fonte pronta e enxergar apenas uma caixa.
Ou pode compreender:
o transformador reduz e isola;
os diodos retificam;
o capacitor filtra;
o fusível protege;
a carga recebe a energia.
Quando começamos a enxergar a eletrônica dessa maneira, circuitos aparentemente complicados ficam muito mais fáceis de compreender.
Quer aprender eletrônica entendendo o que realmente acontece dentro dos circuitos?
Construir uma fonte como esta é uma ótima maneira de perceber que componentes estudados separadamente começam a fazer muito mais sentido quando aparecem trabalhando juntos.
Transformadores, diodos, capacitores, resistores, transistores e circuitos integrados formam os blocos fundamentais de inúmeros equipamentos eletrônicos.
A proposta é fazer com que você deixe de simplesmente copiar esquemas e passe a compreender o caminho da alimentação, o caminho do sinal e a função que cada componente exerce dentro de um circuito eletrônico.