Dicas do Zébio

Quando queimou minha fonte CC ajustável de bancada, de construção artesanal, pensei em comprar uma nova, mas o custo de um equipamento de qualidade me fez optar novamente pelo “faça você mesmo”. Vasculhei muitos artigos de eletrônica, em busca de uma fonte com boa relação custo-benefício e que utilizasse peças de fácil reposição. 

A intenção era dispor de uma fonte melhor, pois a anterior tinha um problema chato, que era a elevação da tensão de saída após o desligamento. Daí lembrei de uma antiga revista Elektor, onde encontrei o projeto desejado.

Conto aqui como foram feitas a montagem e as pequenas alterações no circuito, que entrega de 0 a 40V CC, com controle de corrente de 0 a 4A. Tem proteção total contra curtos-circuitos e compensação para a queda de tensão nos cabos.

É uma fonte de bancada de ótima qualidade, confiável, que utiliza componentes corriqueiros e baratos e dispõe de mais recursos que a maioria das fontes comerciais.

O projeto

No projeto original – revista Elektor nº 24, de julho de 1988, primeira edição brasileira [1] – constavam os valores de 35V e 3A máximos, mas quando reli o texto, percebi que era possível aumentar estes limites, praticamente sem modificar o circuito.

Este artigo fez parte, aparentemente, de todas as edições da Elektor mundo afora, pois o sítio italiano HP6400 [2] disponibiliza a revista com o mesmo texto (em italiano, obviamente). Lá na Itália, o artigo foi publicado na revista 47, de Abril (Aprile) de 1983.

A fonte utiliza componentes extremamente comuns e baratos, fáceis de encontrar em sucata. Mesmo utilizando substitutos mais modernos e equivalentes, como os transistores de saída e os comparadores, o projeto não precisa ser modificado.

Não irei explicar o que aquele texto fez muito bem, sobre o funcionamento da fonte e suas características peculiares. Basta dizer que utiliza o tradicional LM723, auxiliado por dois comparadores LM741 e necessita de transformador(es) com enrolamentos independentes, um para a alimentação dos integrados e outro para a saída da fonte.

Preferi um projeto com controles totalmente analógicos, por causa da simplicidade do circuito e para dispor de ajustes imediatos. Uma fonte com microcontrolador poderia ser mais exata, mas perderia na rapidez para alterar a tensão ou corrente, que normalmente seria feita através de botões.

Apesar de ser um projeto com mais de 30 anos, tive várias e agradáveis surpresas com este circuito. Por exemplo, uma característica difícil de ver em projetos de fontes ajustáveis por aí é a tensão inicial. Esta fonte começa em zero Volt mesmo, com limitação mínima de corrente em torno de 2mA (depende da qualidade do potenciômetro).

Isto permite um recurso muito interessante: a fonte pode servir como testador de diodos zener de até 40V (igual ao valor máximo da tensão de saída da fonte). Ao espetar um zener nos terminais da fonte, ligado corretamente (para zeners, o cátodo é no positivo), deixando a corrente em zero e elevando gradualmente a tensão de saída, ela subirá só até o valor que o zener deixar. Com isso, o voltímetro da fonte indicará a tensão do diodo, como na figura 1, onde o zener testado é de 10V. Chega de espremer as vistas a olhar as letrinhas apagadas nos diodos…

Então, para testar diodos é necessário manter o ajuste da corrente de saída sempre no mínimo. Esta corrente é suficiente para obter uma estimativa de tensão do diodo sob teste. Mas se a corrente subir, no mínimo você poderá queimar o diodo, ou seus dedos…

A figura mostra o display da fonte em zero, enquanto que o multímetro indica 15mA. Logo a seguir conto o que aconteceu.

Os mostradores

O primeiro “progresso” em relação à minha antiga fonte de bancada foi a instalação de mostradores (displays) independentes, para corrente e tensão. Chega de escolher a grandeza com uma chave (figura 2). A medição “on-line” facilita muito os experimentos, pois não há a necessidade de ligar multímetros para medir a corrente e/ou tensão que a fonte entrega, além de diminuir a confusão de fios e instrumentos na área de trabalho. As informações sempre estão à disposição.

Escolhi não utilizar mostradores analógicos para corrente e tensão, como os do artigo original, pois eles são frágeis e necessitam de um tempo para interpretação, ao passo que os instrumentos digitais de hoje são baratos e sua indicação pode ser vista mesmo no escuro. Apesar disso, reconheço que os mostradores analógicos tem como vantagens a rapidez de resposta e a simplicidade de instalação.

Consegui na internet módulos de medição independentes, com LEDs de cores diferentes, para tornar mais cômoda a visualização. As cores foram escolhidas para haver bastante diferença entre corrente e tensão, de modo a diminuir as confusões durante as medidas. O voltímetro comprado mede até 100V e tem LEDs amarelos e o amperímetro alcança 10A, com LEDs azuis.

Só que, em razão do baixo preço dos medidores, sempre vem junto algum problema na qualidade final. Neste caso, a leitura com claridade era muito ruim, tinha pouco contraste e era fácil de confundir os números.

Foi necessário intercalar na frente de cada display um filme plástico colorido. É a conhecida gelatina de iluminação, que tem cores bem definidas e é muito melhor que o celofane colorido. É encontrada em lojas de sonorização e iluminação profissional.

A característica destas películas é deixar passar somente a cor desejada e filtrar o resto. Isto facilita a leitura e aumenta o contraste, como é possível perceber nas figuras 3, 4 e 5. As cores escolhidas foram iguais às dos LEDs, azul e laranja, para corrente e tensão, respectivamente.

A cor laranja deste filme é tão forte que parece vermelho, como se nota nas figuras 6 e 7. Mesmo assim, nesta cor foram aplicadas duas camadas de gelatina e o contraste não ficou tão bom quanto no display azul.

A lâmina original, incolor, corrugada e transparente, que tem a função de dispersar a luz, foi mantida e ficou na face externa.

No painel, os mostradores foram dispostos afastados um do outro. Cada um tem abaixo dele uma enorme letra, que indica a grandeza medida (V ou A).

Para outro indicador, o LED que indica curto circuito, foi escolhido um tipo que pisca sozinho, o “LED flasher“. Ele tem embutido no invólucro o oscilador (figura 8) e ao ser energizado, começa a piscar. O LED foi colocado ao lado do amperímetro e ajuda a chamar a atenção no caso de ser ultrapassado o limiar (ajustável) da corrente máxima.

Problemas com o amperímetro

A colocação de medidores digitais requer fontes de alimentação independentes. Obrigatoriamente, uma para cada medidor, de modo a evitar influência mútua.

No início, montei somente uma fonte isolada para os dois medidores, mas durante os testes, começaram a aparecer problemas estranhos, que somente desapareceram com a retirada do amperímetro.

Para resolver o problema, foi montada outra fonte, com um pequeno transformador de gravadores K7, com 10VCA, acoplado a uma plaquinha com 4 diodos e um capacitor (figura 9). A tensão não é muito importante, pois estes módulos funcionam bem desde 6 V até além de 20VCC, sem estabilização. Resolvida a questão da alimentação dos mostradores, os desafios continuaram…

O amperímetro conseguido inicialmente e que está em várias das fotos, tinha alcance original de 50A. Como dispunha de somente um dígito após a vírgula, modifiquei o alcance para 10A, com a troca do resistor de “shunt” original, externo, por outro, construído especialmente (figura 10).

Como não seria possível alterar facilmente a posição do ponto decimal (o chip não tem qualquer identificação e teria que alterar as ligações do display), tapei com fita isolante o ponto original e colei uma bolinha branca, uma casa à esquerda. Depois, comprei um módulo para 10A, que tem o shunt interno e vem com o ponto decimal na posição desejada. E aí veio a grande dor de cabeça…

Os dois módulos são do modelo C27D, utilizam a mesma placa, com pequenas diferenças, como é possível perceber na figura 11. Só que no modelo de 10A, a precisão com baixas correntes foi inaceitável.

Para aferição, foi montado um circuito de teste, com a ligação em série de dois multímetros e um resistor de fio de 15 ohm, 5W, na saída da fonte. Os multímetros foram ajustados como amperímetros, na escala adequada. Com a ligação, a corrente que passa pelos 3 amperímetros e a carga (o resistor) é a mesma. É uma forma de minimizar os erros nas medições. A tensão de saída da fonte foi ajustada conforme a corrente desejada de teste.

Para correntes de 0,99A ou maiores, o módulo do amperímetro funciona bem, está correto (figura 12). Mas, abaixo de 200mA, o instrumento aumenta o erro e chega a uma casa decimal: quando a corrente é 100mA, indica 0,01A (figura 13). Deveria indicar 0,10A. Abaixo de 90mA, não indica nada (tinha que mostrar 0,09 e exibe 0,00 – figura 14).

Inicialmente, pensei que poderia haver alguma interação com a fonte de alimentação, que influenciaria a medida, o que não se comprovou. Medi a corrente com o módulo ligado externamente e o problema continuou. Mesmo reajustando o micro-trimpot no amperímetro – as fotos mostram o painel da fonte entreaberto -, ficou tudo na mesma.

Além disso, a precaução de evitar o conector para a corrente, com a solda direta dos fios ao módulo (figura 15), evitou as falhas, mas não ajudou na precisão.

Não me contive e testei novamente o amperímetro antigo, para confirmar se o problema era naquela unidade ou uma característica de fabricação. O outro modelo, de 50A, não mede abaixo de 20mA. Acredito que seja problema na programação do microcontrolador, ou uma simplificação interna na amostragem, que estraga a resolução.

Outra limitação é que estes mostradores não medem com a polaridade invertida, a entrada não é flutuante. Se inverter a polaridade da corrente ou da tensão, o mostrador não exibe corretamente, geralmente fica em zero.

Como só notei isto depois de algum tempo, não tive nem como reclamar ao vendedor. Fico indignado quando compro um produto que não cumpre a função que deveria desempenhar. O preço baixo tem sempre seu contragolpe, apesar dos voltímetros que comprei não terem nenhum problema grave. Inclusive, foi por isto que pensei em converter um voltímetro em amperímetro.

Convertendo um voltímetro para amperímetro

Lembrando, para quem sempre se confunde, que amperímetro é o instrumento que fica em série com a carga e deve ter baixíssima impedância (como um fio – o shunt), ao passo que voltímetro fica em paralelo com a carga e é desejável alta impedância, para não interferir nas leituras.

Em corrente alternada, pode ser necessário voltímetro com impedância ao redor de 3K ohm, para descartar leituras errôneas de tensões fantasma, induzidas em conexões sem qualquer ligação. São os famosos multímetros de eletricistas, com medição VCA Lo-Z. Mas isto é outra história.

Quando conheci os voltímetros e amperímetros modulares, fiquei tão interessado que adquiri um modelo menor, que veio com uma característica inesperada, o ponto flutuante: conforme a tensão de entrada, ele muda o ponto de lugar (figuras 16 e 17).

Desconsiderando a diferença de tamanho, seria um ótimo substituto para o amperímetro de LEDs azuis. Ele somente tem dois fios de ligação, pois foi projetado para ler a própria tensão de alimentação, que deve estar entre 5 e 30VCC.

Foi possível separar a entrada para leitura da tensão de alimentação (figura 18), modificando a posição do resistor de 68K (marcado como 683), como é possível perceber na figura 19.

Feita a separação entre medição e alimentação, o instrumento apresentou outro problema. Colocado um divisor resistivo na entrada, feito com um trimpot multivoltas, de modo a adaptar a leitura sobre R21 (que é o shunt original da fonte), tivemos outra decepção: a falta de linearidade.

O voltímetro tinha que receber na entrada aproximadamente 800mV, que foi a tensão medida sobre R21, quando atravessado pela corrente máxima de 4A. O instrumento, com esta tensão na entrada, deveria indicar 4.00, o que o converteria em amperímetro.

Ajustado o trimpot, foi constatado que a leitura das tensões não regrediu linearmente, aumentou o erro conforme diminuia a tensão sobre R21. Ainda por cima, o instrumento não leu correntes menores que 80mA.

É possível que a impedância de entrada exerça alguma influência na medição, mas não há qualquer informação adicional sobre estes módulos, são uma caixa preta. É muito estranho que todos eles, sem exceção, não exibem qualquer inscrição no integrado principal. Parece que foram feitos apenas para bonito, não são precisos.

Sem mais um pingo de paciência, recoloquei o amperímetro anterior, com a lembrança de que não posso me basear nele para correntes menores que 200mA.

Este amperímetro ficará na fonte só até eu encontrar outro melhor. Neste caso, posso dizer que estou um pouco arrependido de não utilizar os galvanômetros tradicionais, que não causariam uma discrepância tão grande. Mas os já citados benefícios dos indicadores digitais ainda superam, ao menos para mim, aqueles antigos instrumentos.

Para quem for montar a fonte com indicadores digitais, poderia adaptar um multímetro comum, vendido a menos de 20 reais e montá-lo no painel da fonte, deixando somente o display à vista. Aliás, foi isto que fiz em minha fonte anterior (rever a figura 2). Só que para chavear de tensão para corrente, foi necessário incluir um relé, que trocava as ligações.

Atualmente, pelo preço que se paga por estes pequenos multímetros é possível até comprar dois, um para tensão e outro para corrente. O espaço ocupado pode ser grande, mas seriam mais confiáveis.

Neste caso, a alimentação dos multímetros deve ser individual e de excelente qualidade, totalmente isenta de ruídos. Parece fácil, mas é trabalhoso. Pode-se procurar na internet o esquema de algum multímetro de bancada e ver como é feito. Ou, mais simples, manter as baterias, desde que exista um modo de desligá-las. Por exemplo, com um relé acionado pela alimentação da fonte.

Há também módulos de LCD de 3 1/2 dígitos à venda na internet, com fundo de escala de 199mV. Provavelmente, são baseados no clássico integrado ICL7106, que é o coração de todo multímetro comum de 3 1/2 dígitos. É uma opção interessante.

Poderia ser útil dispor de módulos com mais casas decimais, como os da fonte da figura 20. Ainda não os encontrei no Brasil, com um preço aceitável e na cor desejada, só em fornecedores estrangeiros.

O transformador

Consegui colocar nesta fonte um transformador toroidal, que era originalmente um autotransformador. Para ver como ele foi adaptado, consulte o post anterior. A vantagem deste componente é, principalmente, a facilidade de adicionar enrolamentos, a qualquer tempo (desde que haja espaço…).

O autotransformador veio a calhar porque permitiu utilizar o enrolamento existente como primário. Foram bobinados 3 secundários: 34VCA para a saída da fonte e 12+12VCA para o circuito de estabilização (figura 10). Também foi incluída uma saída de 7VCA para os medidores digitais. É uma tensão intermediária, não muito baixa nem alta, pois os medidores aceitam desde 5 até 30VCC.

Nota: Já comentei no texto que por características intrínsecas do amperímetro, foi necessário adicionar um enrolamento CA exclusivo para este instrumento. Para isto, foi agregado um pequeno transformador ao gabinete, já que não cabia mais nada no transformador toroidal.

Como o artigo aventava a possibilidade de modificar a tensão e corrente máximas de saída, o transformador foi enrolado com uma tensão um pouco maior que o valor requerido originalmente.

Mas, na prática, a teoria é outra… O transformador, que era para ter 37VCA, ficou com 34VCA. A razão disso é que as medições foram feitas tarde da noite, quando a tensão da rede elétrica sobe para além dos 220VCA.

Na pressa de concluir o enrolamento, não compensei a tensão CA no Variac (um transformador, também toroidal, continuamente ajustável e que forneceu a tensão de teste). Daí, retirei algumas espiras do enrolamento de 37VCA, antes de verificar qual era a tensão na entrada do transformador. Apesar de ter ficado com 34VCA, a fonte entrega tranquilamente os 40VCC, pois a retificação e filtragem aumentam a tensão CC disponível (aproximadamente 1,414 vezes, quando sem carga).

A tensão de saída da fonte abaixa para 38VCC, quando a carga drena 4A, com tensão da rede de 220VCA (figura 23). Isto, sem trocar o capacitor C10, de 4700uF, por outro maior. Para a maioria das minhas aplicações, está bem satisfatório. Daqui a alguns anos, talvez eu troque o transformador, ou o reenrole com mais cuidado…

A saída de 12+12VCA do transformador, enrolada em outro momento, ficou 1VCA mais alta que o desejado, resultando em uma alimentação simétrica de +-18,5VCC, aproximadamente. Ela ultrapassa a tensão máxima de trabalho dos amplificadores operacionais utilizados (LM741CN, ver referências [3] a [6]). Aqui, talvez, teria sido mais prudente incluir reguladores de +-15VCC, para evitar problemas de sobretensão. Mas até agora, os comparadores aguentaram bem o excesso. Há uma linha do operacional 741 que tolera até +-22VCC (741, 741A e 741E) e é possível que os componentes com o sufixo CN aceitem tensões um pouco além dos +-18VCC.

Apesar do meu descuido, é certo que faltou um estabilizador de tensão para manter um padrão razoável para os testes. E não estou falando de estabilizadores simples, utilizados em computadores, que arruinam muito mais a energia fornecida do que a melhoram.

Falo de estabilizadores reais, com saída senoidal pura ou próxima disso, como os da CP eletrônica [7], por exemplo. Esta renomada empresa, hoje parte da Schneider Electric, disponibiliza diversos artigos técnicos sobre energia em sua página na internet.

Mas estes equipamentos custam caro, por isto o mais prático – e ainda dispendioso – é utilizar um Variac (variable transformer) e conferir sua tensão de saída a cada medição. Quem quiser conhecer melhor este tipo de transformador, acesse as referências [8] até [11].

Em último caso, ainda poderia ser utilizado um estabilizador para computadores. Mas teria que ser aquele modelo que realiza o chaveamento da tensão de saída com TRIACs, não com relés. São aqueles extremamente silenciosos, que nunca fazem o famoso “tlec-tlec”.

Erro na lista de material

É interessante notar que há um erro que não foi corrigido no projeto da Elektor, tanto no artigo em portugês quanto em italiano, que é o valor de C1 e C2. Na lista de material consta 100uF/25V, mas no esquema aparece 1000uF. Pelo tamanho dos capacitores na placa e pela sua função (filtragem da fonte simétrica interna), obviamente os valores corretos são os do esquema.

O único componente incomum do projeto é o transistor BD241. Como substituto, pode ser empregado o TIP31A ou o TIP41A. O sufixo pode também ser B ou C, que exibem tensões maiores entre coletor e emissor (Vce). É vantajoso escolher o transistor com maior ganho, pois ele irá formar a configuração Darlington de saída.

A placa de circuito impresso

O projeto original da placa não era bem o que eu queria, pois utilizava capacitores axiais, que são difíceis de encontrar. Por isto, redesenhei parte do circuito impresso e fiz pequenas alterações, como a inclusão de fonte para os mostradores e a separação do estágio de potência. Além disso, como a placa foi adaptada para mostradores digitais, foram excluídos R25, R26, P3 e P4. Se o leitor pretender utilizar os indicadores analógicos de corrente e tensão, melhor será montar a placa do artigo original da Elektor.

Para montar uma fonte destas devo lembrar que, com mostradores digitais de corrente e tensão, o circuito precisa de 4 secundários isolados, provenientes de um ou mais transformadores: os originais 33VCA/5A (Tr1) e 12+12VCA/0,4A (Tr2) e outros dois, cada um deles com saída entre 5 e 15VCA, com corrente de 0,5A, para os mostradores. Com galvanômetros, estes dois últimos enrolamentos não são necessários.

O esquema da fonte está na figura 24. O projeto da placa em pdf está AQUI.  O projeto completo, com os arquivos KICAD e todos os pdf, está NESTE LINK. 

Os jumpers JP1, JP2 e JP3 foram incluídos no desenho para facilitar o roteamento automático (router) das trilhas, quando se utiliza no KiCad uma só camada de circuito impresso.

Nem todos os capacitores foram alterados para o formato radial. Como eu tinha em estoque dois eletrolíticos axiais de 1000uF/25V, novos e de ótima qualidade, classe 105ºC, mantive os lugares de C1 e C2. Para C10, de 4700uF/70V, deixei espaço para modelos maiores, pois há grande diferença de uns anos para cá (figura 25). Isto também facilita aumentar a capacitância, que é necessário quando se deseja fornecer correntes acima de 3A.

Os diodos, por sua vez, foram utilizados os disponíveis no estoque. Para a retificação dos 4A, a placa foi modificada para receber 4 diodos 6A8, que aguentam até 6A. Deste modo, fica reduzido o estresse sobre o estágio de retificação. As outras duas fontes foram feitas com pontes retificadoras comuns, de 1 ou 2A.

Outra alteração no projeto original foi a inclusão de um ajuste fino da tensão de saída. Era outra das dificuldades de minha fonte anterior: ajustar exatamente a tensão desejada. Foi adicionado um potenciômetro de 2K2 ohm em série com P1, de 50K. O valor dele foi escolhido para modificar a tensão em torno de 5%. Com os dois potenciômetros em zero, a saída é zero Volt. Com P1 em zero e o ajuste fino no máximo, a saída fica em 2,3VCC.

Pensei em utilizar um potenciômetro multivoltas para o lugar de P1, em vez do ajuste adicional, mas muitas vezes há a necessidade de mudar rapidamente a tensão e rodar 10 voltas não ajuda muito…

Não achei necessário fazer o mesmo para a corrente de saída, pois a exatidão desta grandeza não é tão importante quanto a tensão, ao menos no meu caso. No período de 16 anos em que fiquei com a outra fonte, só senti falta de um controle de corrente, mas nada muito preciso.

Para quem trabalha frequentemente com fontes de corrente constante, como os circuitos com LEDs, o ajuste fino de corrente de poderia ser uma opção interessante. Neste caso, um amperímetro com mais uma casa decimal ajudaria para visualizar um resultado preciso.

Para o desenho do esquema e da placa de circuito impresso, foi utilizado o KiCad. É um excelente aplicativo CAD para eletrônica, totalmente gratuito. CAD quer dizer Computer Aided Design – projeto auxiliado por computador. O KiCad também dispõe de módulo de roteamento automático de trilhas e de visualizador tridimensional da placa montada. Para quem quiser conhecer o KiCad, acesse o link na referência [12].

Só que na hora de repassar o desenho para a placa real e corroê-la, preferi o método tradicional, com a folha impressa espelhada, a caneta para retroprojetor e uma antiga lâmina de barbear (figuras 26 a 34). É que ainda não me acertei com aquele esquema de ferro de passar roupa e papel glossy…

O método é simples. Para começar, coloco a placa cortada no tamanho final, sem rebarbas, limpa com palha de aço (o lado cobreado) e fixada pelas bordas à mesa, com o cobre virado para cima. Alinho a ela a folha impressa com o lado cobreado (impressão espelhada do KiCad) e começo a marcar levemente os furos, com um fino punção de aço. Após, retiro o papel e faço as trilhas com a caneta para retroprojetor (ou para CD), sempre cuidando o desenho impresso. Os retoques finais são feitos com uma lâmina de barbear, para remover qualquer curto-circuito. Eventualmente é necessário refazer alguma trilha.

Para apressar a corrosão, costumo deixar exposta a menor quantidade possível de cobre, para ser removido no banho de percloreto de ferro (ou cloreto férrico, é a mesma coisa). Isto também aumenta a durabilidade do líquido corrosivo. A economia de tempo é necessária para evitar que a camada de tinta da caneta comece a levantar. Não é interessante apressar a corrosão com o aquecimento da solução, pois os desenhos feitos a caneta das trilhas, soltarão mais rápido ainda…

Se a placa fosse menor, eu a teria corroído dentro de um frasco de vidro com a tampa lacrada. O lacre é um saco plástico fino, com papel absorvente no interior, colocado entre a tampa e o vidro. Melhor usar vidro do que plástico, para enxergar bem a corrosão.

Derramando (per)cloreto de ferro até a metade da altura da placa, ou pouco mais, é só fechar a tampa e agitar bastante. Para evitar vazamentos, o frasco de vidro fica dentro de um saco plástico. Com isso, é possível corroer uma placa em até 3 minutos, depende da temperatura ambiente e do vigor da agitação.

No KiCad, fica trabalhoso ampliar as áreas de cobre. Na figura 28 aparece a placa projetada, apenas com trilhas finas. As figuras 29 a 31 mostram a placa, antes e depois do banho de percloreto. Se não olharmos bem, parece outro circuito…

A conexão do negativo da fonte foi espalhada para cobrir as áreas livres, mas nunca fazendo loop de terra (ligação vinda de mais de um lugar, formando um anel). Em áudio, este procedimento costuma melhorar muito a relação sinal/ruído e sempre é útil em caso de alterações no projeto. Este método de confecção de placas já foi comentado em post específico.

Comparando o esquema da figura 24 com o desenho da placa (figura 33), nota-se que há várias peças que não estão no circuito impresso. É que C12 é conectado diretamente nos bornes de saída, conforme orientação do artigo da revista. E os componentes T2, T3, T4, T5, R17, R18, R19 e R20 formam o bloco de potência, comentado mais à frente.

Na placa montada (figura 34), pode-se ver que os circuitos integrados utilizam soquetes. Se não for possível conseguir soquetes torneados, de boa qualidade, é melhor soldar direto os circuitos integrados. Porque o equipamento não é para dar defeito pelos próximos 10 ou 20 anos, no mínimo.

A simplificação do circuito

Durante os testes, foi percebido que a fonte pode comportar-se mal se as conexões sensoras (Us) – utilizadas para monitorar e compensar a tensão de saída -, não forem ligadas junto a seus respectivos pólos, em todas as situações de uso. Ou seja, se o leitor montar esta fonte, conforme projetada originalmente, sempre será necessário utilizar os cabos de alimentação compensados (figuras 35 e 36).

Estes cabos tem duas ligações para cada pólo, que são unidas na respectiva garra jacaré. Por isto é que a fonte tem 4 bornes de ligação na saída. Dois fios (um positivo e outro negativo) carregam a tensão de saída da fonte. Os outros dois, devolvem para a fonte a informação da tensão presente nas garras jacaré. Deste modo, o circuito compensa, sempre que necessário, qualquer alteração na tensão de saída.

Assim, teremos lá nos pontos onde as garras tocam, exatamente a tensão desejada. Por isto, sempre é mais correto determinar a tensão de saída ANTES de ligar a carga (sem qualquer consumo de corrente).

Fiz um teste simples para demonstrar o funcionamento deste recurso, nas figuras 37 e 38. Como carga, foram empregadas duas lâmpadas incandescentes de 12V-21W, ligadas em série. São as típicas lâmpadas utilizadas nos pisca-pisca dos automóveis.

O multímetro está conectado às garras jacaré, onde a carga será ligada. Na figura 37 a carga não está conectada à fonte, por isso as tensões do voltímetro da fonte e do multímetro são exatamente iguais (20,0VCC).

Mas quando as lâmpadas são conectadas (figura 38), o voltímetro da fonte informa 20,2VCC, ao passo que o multímetro continua indicando 20,0VCC. Há, portanto, 200mVCC (0,2VCC) de queda de tensão na fiação até a carga. Este valor corresponde a 1% da tensão desejada, quando o consumo de corrente é de somente 1,29A.

Todos os cabos apresentam alguma resistência (e consequente queda de tensão). O efeito é facilmente observável com altas correntes e com cabos finos e/ou longos. Com a elevação da corrente sobre a carga, a queda de tensão aumenta proporcionalmente na fiação, pois é uma típica aplicação da lei de Ohm, onde V=RI (tensão igual a resistência multiplicada pela corrente).

Em nosso caso, os cabos apresentam uma resistência total de 0,155 ohm (R=V/I). Neles, a queda de tensão para uma corrente de 4A, por exemplo, chega a 0,62VCC. Então, se alimentássemos um circuito com 5V, que consumisse 4A, teríamos uma perda de 12%, se não houvesse a compensação da fonte, pois o circuito receberia somente 4,38VCC (5 – 0,62VCC).

Em razão disso, o calibre (bitola) dos cabos de alimentação deverá ser grosso, para evitar o aumento das perdas. No meu caso, utilizei cabos específicos para pontas de prova (extra flexível), comprados em lojas de eletrônica. Montei eles com 100 cm de comprimento. A bitola parece 0,50mm² ou menor, quando comparado com um cabo 20AWG (0,58mm² – figura 39). É uma seção insuficiente para carregar as altas correntes que a fonte pode gerar. Apesar disso, o circuito de compensação resolve por enquanto meu problema.

Para quem tem pouca experiência com eletrônica, talvez seja melhor montar um circuito simplificado, sem a compensação da tensão de saída. Excluindo alguns componentes (R23, R24, C11 e os terminais Us1+ e Us2-), a fonte fica mais simples de montar e utilizar.

Neste caso, R23 e R24 devem ser trocados por jumpers e os cabos de alimentação CC terão que ser mais curtos, com bitola 1,5 mm² ou maior. A figura 40 traz o esquema desta mesma fonte, com as simplificações. O arquivo PDF está AQUI e em formato KiCad, AQUI.

Outra opção seria incluir uma chave de boa qualidade, para escolher entre medir com a compensação de tensão ou não, da maneira que a fonte da figura 20 faz. Isto amplia a versatilidade da fonte. Na prática, o que a chave faz é uma escolha entre unir as entradas sensoras a seus respectivos pólos, junto aos bornes, ou receber as conexões externas de compensação. O artigo da Elektor menciona esta possibilidade.  

E eu fiz também…  Após escrito o artigo, percebi que era fácil incluir uma chave para colocar os bornes em contato, como é possível ver nas figuras 40A e 40B.  A chave só liga cada borne com o seu correspondente, é muito simples.  Agora, é possível utilizar cabos comuns, quando desejado.  Neste caso, a chave do sensor fica na posição “interno” (figura 40C).

O módulo dos transistores de potência

Pensando na durabilidade desta fonte, deixei a maioria dos componentes de potência do lado externo do gabinete. Assim, a convecção natural auxilia o arrefecimento dos transistores, sem precisar de ventoinha. Isto mantém a fonte silenciosa, mas se necessário, poderá ser acoplada uma ventilação forçada para melhorar a troca de calor.

A ligação do bloco foi simplificada ao máximo, pois ele tem apenas 3 fios. É como se fosse um transistor bipolar NPN qualquer, com coletor, base e emissor, mas de alto ganho e com grande capacidade de corrente. Isto facilita mudanças ou substituições futuras.

O bloco conta com 3 transistores 2N3055, um TIP41C e os respectivos resistores de emissor. São os componentes dentro da área pontilhada, no esquema da figura 24.

Este bloco compõe a conhecida configuração Darlington, que é a ligação em cascata de um transistor com outro mais potente. O ganho de corrente da configuração é aproximadamente o resultado da multiplicação dos ganhos dos transistores cascateados. Isto faz com que o conjunto necessite de pouca polarização (corrente) de base, para conseguir conduzir altas correntes entre coletor e emissor. Além disso, a configuração utiliza 3 transistores de potência em paralelo, para garantir o fornecimento de corrente, sem aquecer demais.

O Colégio Parobé [13], tradicional escola técnica de eletrônica, mostra de forma bem prática o funcionamento desta ligação. E a Universidade Federal de Pernambuco – UFPE [14] – disponibiliza slides que explicam diversas configurações de transistores, além de indicar algumas aplicações.

Nas figuras 41 a 55 pode-se acompanhar um passo-a-passo que demonstra as técnicas utilizadas para montar os transistores de potência nos dissipadores.

Foram escolhidos 3 transistores com ganhos bem parecidos, de modo a fazer com que o aquecimento deles seja semelhante. Poderia ter optado por utilizar o 2SC5200, que é mais moderno, mais fácil de montar e de encontrar. Mas como eu dispunha de alguns 2N3055 em ótimas condições e também tinha dissipadores já perfurados para encapsulamento TO-3, fiquei com os transistores metálicos. E o encapsulamento totalmente metálico é mais eficiente na transferência de calor. Além do mais, todos os transistores são originais RCA (um deles fabricado no Brasil), de excelente qualidade e funcionam bem, mesmo após 30 anos guardados…

A montagem destes transistores requer mãos, ferramentas e peças bem limpas, além de paciência e cuidado, pois neste trabalho não são tolerados poeira e outros contaminantes sólidos.

As figuras acima mostram que a pasta térmica é aplicada em pequena quantidade, apenas suficiente para realizar a função de transferência de calor. Muita pasta tem o efeito contrário e pode estar encobrindo alguma partícula intrusa, que poderá perfurar a mica ou afastar o transistor do dissipador. Não é aconselhável deixar áreas sem pasta térmica.

Após a montagem dos transistores, é necessário aguardar algumas horas e reapertar os parafusos, pois a pasta térmica espalha-se lentamente para os lados, afrouxando o aperto anterior. Este procedimento precisa ser repetido mais uma ou duas vezes, sempre com algumas horas de intervalo, para deixar os transistores estáveis e firmes. Fiz um vídeo curtinho para ilustrar o modo utilizado para apertar os parafusos:

Cada transistor tem seu dissipador individual, que foi unido aos outros com dois perfis de alumínio. Estes perfis contam com um lado arredondado, que deixa os contornos suaves. Resultou num bloco de fácil instalação, como mostram as figuras 57 a 74.

Os transistores não são casados, tem pequenas diferenças de ganho de corrente (beta). Eles ficaram numa sequência em que o ganho vai subindo conforme a altura de montagem. Assim, o transistor que aquece mais (menor ganho) ficará mais embaixo do que os outros. De certa forma, isto ajuda a equilibrar a temperatura de todos eles, pois pela convecção, o calor tende a subir para a parte superior do bloco. Também por este motivo é que o TIP41C, substituto do BD241, foi montado na parte inferior, na aleta mais distante do dissipador (figura 58).

Os resistores de emissor foram isolados e protegidos com espaguete termorretrátil e a fiação foi conduzida em forma de chicote, através das abraçadeiras tipo rabo de rato (figura 67).

Para evitar que partículas caiam nos transistores, foi criada uma capa de alumínio, como mostram as figuras 68 e 69. E as pontas dos dissipadores foram suavizadas, de modo a minimizar as áreas cortantes (figura 70).

Além disso, o bloco ficou montado sobre arruelas grossas, com espessura de 5mm, feitas em latão (mas que poderiam ser de qualquer outro material resistente ao calor). O distanciamento do bloco para o gabinete ajuda a convecção natural e dá espaço para a fiação passar sem apertos (figuras 71 a 74).

A conexão com a rede elétrica

No painel traseiro, fica a conexão da tomada CA da rede elétrica, a chave 110-220V e o porta-fusível. Optei por utilizar uma tomada de 3 pinos macho, muito comum em fontes de computador, ao invés de um cabo ligado diretamente. Ela torna muito prática a troca de cabos e deixa a montagem mais limpa (figura 75).

Esta tomada respeita o conjunto de normas IEC60320, que tratam das interconexões de cabos de energia até 250VCA e estão em vigor desde a década de 1970. Na Wikipedia tem um texto bem legal sobre o assunto, com uma tabela ilustrando os vários modelos existentes [15].

Nas referências [16], [17] e [18] são mostrados diversos tipos de tomadas IEC, com e sem filtro contra IEM (interferência eletromagnética – EMI, em inglês). A Schaffner [19] tem uma área de downloads, com vários artigos técnicos sobre filtragem de interferências.

Em nosso caso, a tomada é modelo C14 (com pinos macho), cuja conexão fêmea é o plugue C13. Lembrando que conectores macho sempre recebem energia e conectores fêmea fornecem energia. É uma regra básica de segurança, que evita tocarmos em pinos energizados.

Minha preferência era colocar uma tomada melhor, com porta-fusível, chave e até filtro de linha embutidos, como as das figuras 76 e 77. Mas como o objetivo maior era a redução dos custos, aproveitei ao máximo o estoque de peças na sucata. O painel traseiro ficou como mostram as figuras 78 e 79.

Na bancada, as tomadas da rede elétrica para os instrumentos estão bem perto deles, o que reduz a necessidade de cabos longos. Por isto, esta fonte recebeu um cabo retirado de computador, que utiliza 3 fios. O cabo foi deixado bem curto, apenas o suficiente para ligar o equipamento (figura 80).

O gabinete

O gabinete que eu pretendia reutilizar para montar a fonte (figura 81) ficou muito pequeno para acomodar a placa, o transformador e as conexões. A única forma de montagem possível era colocá-la de cabeça para baixo, junto à entrada de rede (figura 82).

Mas a perigosa proximidade dos 220VCA com os componentes da placa me obrigou a construir um outro chassis, já que o painel estava pronto. Infelizmente, não foi possível conseguir o alumínio anodizado que o anterior utilizava, mas tudo bem.

A figura 83 mostra a diferença entre os dois chassis: somente a profundidade aumentou em 5cm, o resto é igual.

O padrão “rack“

Percebe-se que a caixa da fonte está destinada para a montagem num quadro do padrão rack 19″. Este padrão é utilizado intensamente no mundo, principalmente em instalações profissionais de som e luz, em informática e na indústria. Refere-se às normas ANSI/TIA/EIA-310-D, IEC 60297-1-2 e DIN 41414-7.

Ele consiste de uma largura padrão máxima de 19 polegadas (48,26cm) para os painéis dos equipamentos e utiliza a denominação U para unidade de rack. O chassis que tem 1U de altura, mede 1 polegada e 3/4 na vertical (o mesmo que 1,75″ ou 44,45mm). Aspas, para quem não lembra, indicam polegadas. Fiz uma tabelinha simples, de 1U até 7U, para ajudar:

A distância entre os furos de fixação dos equipamentos para o padrão rack 19″, na horizontal, é de 18” 1/4 (quase 46,3mm). Na vertical, a distância entre os furos é uma repetição periódica de dois espaçamentos diferentes: 1/2″ (12,7mm) e 3/4″ (19mm). Isto costuma limitar o posicionamento dos aparelhos, podendo causar espaços vazios. Uma solução para isso são os trilhos verticais com porcas deslizantes, que são posicionadas na altura desejada.

Quando um chassis tem metade da largura de 19″, é chamado de half-rack (meio rack). Há também o padrão rack de 23″, que vi em uso num nobreak trifásico, de alta potência.

As unidades de rack são sempre medidas máximas, há uma folga estabelecida de 1/32″ (0,79mm) para acomodar unidades adjacentes, segundo a Wikipedia [20] [21].

Como curiosidade, nas referências [22] a [26] estão links de fabricantes de chassis e componentes no padrão rack.

Voltando à nossa fonte, se prestarmos atenção mais uma vez na figura 81, aparecem outros gabinetes, menores, muito antigos, feitos pela Gradiente nos anos 1960-1970. Era um sistema de sonorização ambiental para prédios, muito versátil, composto de módulos com funções individualizadas. Isto possibilitava adequar o projeto de sonorização para os mais diversos portes.

Cada módulo tem a largura de 5,9cm e no quadro cabem 7 deles. A altura do quadro é de 4U (17,8cm).

Estes módulos mostraram-se muito versáteis para outras finalidades. Como no caso da bancada, que tem um quadro destes e irá receber esta fonte e outros equipamentos, conforme a necessidade.

A fonte ocupa 4 módulos de largura, aproximadamente 22,3cm. Por isto ela tem 8 furos no painel, metade na parte superior e metade na parte inferior.

O painel

O painel foi um dos primeiros a ficar pronto, pois na época eu já tinha recebido os mostradores. Ele foi projetado de maneira simétrica, para demarcar bem o lugar de cada medidor. Tudo foi pensado de modo a evitar qualquer confusão entre corrente e tensão. Tanto que as letras V e A, que indicam a grandeza medida em cada lado, são garrafais.

Ainda não me acostumei com a nova chave de força, localizada no meio do painel. Talvez por hábito, volta e meia ela me confunde. Na fonte anterior ela estava no canto superior esquerdo. Já fui várias vezes com o dedão ali, para encontrar somente o frio alumínio…

Quando projetei o painel, pensei deixá-lo bem simples, só com o essencial. Por exemplo, cogitei não montar o circuito de compensação da tensão dos cabos de saída. Isto economizaria alguns componentes, pois seriam retirados R23, C11 e R24 e os 2 bornes adicionais. Mas é pouca economia, em vista do objetivo de dispor de uma fonte de nível profissional, com mais recursos do que as encontradas habitualmente no comércio.

Assim, mantive fidelidade ao projeto original. Por isto que cada pólo tem dois bornes, um para a saída da energia e outro para o retorno da informação na ponta das garras (Vsense). Entre estes quatro bornes, fica a conexão de aterramento (borne verde), que só tem ligação com a carcaça da fonte e com o fio terra do plugue de energia elétrica. Mais tarde, pretendo instalar uma chave que permita alterar a configuração do circuito sensor, para poder utilizar cabos comuns.

O aterramento

Quem leu o recente post sobre aterramento, sabe como é importante os chassis metálicos ficarem conectados ao terra. Lembrando daqueles casos e pensando sempre num aparelho confiável e seguro, fiz uma ligação de terra para o chassis da fonte, nos moldes das fontes de computadores. Nas figuras 85 a 87, pode-se notar que o parafuso de aterramento é fixado com uma porca e arruela de pressão ao gabinete. O terminal do fio terra que vai à tomada da rede elétrica também tem sua própria porca e arruela, bem como a ligação ao borne do painel frontal. É uma forma de assegurar a passagem de correntes fortes para a conexão de aterramento.

A conexão da carcaça não tem qualquer ligação com o negativo da fonte, pois considerei aqui a necessidade de utilizar, obrigatoriamente, o fio terra.

A montagem

Uma montagem artesanal pode ser melhor ou pior que um aparelho comercial, depende da qualidade do projeto, dos componentes empregados e da qualidade da construção. Este projeto da Elektor, em princípio, tem ótima qualidade, mas como garantir que tudo deu certo?

Inclusive, muitas peças utilizadas na fonte vieram da sucata, o que traz dúvidas quanto a confiabilidade e o desempenho. De todo modo, não costumo guardar tudo que me chega, sempre opto por componentes que realmente poderão ser úteis ou que tem uma qualidade maior, como os da linha industrial, que tem longa vida útil.

Os componentes foram escolhidos a dedo e testados um por um, deixando uma confortável margem de segurança, para evitar que fossem utilizados próximos de seus limites.

As peças reusadas foram inspecionadas minuciosamente, para garantir que suas conexões não dessem problemas. Ocorre que, pelo tempo que ficaram guardados, vários componentes tiveram que ser limpos e reestanhados, pois os terminais oxidaram. Por exemplo, os diodos 6A8 (figuras 88 a 90). Este chato trabalho de limpeza foi recompensado, pois a fonte funcionou sem falhas, desde o primeiro momento.

O único problema foi uma inversão de diodo (rever figura 34), percebida antes da energização da placa e logo corrigida.

Os ajustes de corrente e tensão máximos

Esta fonte necessita só de dois ajustes: a corrente e a tensão máximas. Qualquer um poderá fazê-los, sem problemas, basta dispor de um multímetro.

A corrente máxima é alterada por R16, que fica em paralelo com R15 – rever as figuras 24 e 40. O aumento de R16 causa diminuição da corrente máxima. Em nosso caso, o valor de R16 ficou em 7K5, para 4,2A máximos. Para este ajuste, deve-se colocar a saída de alimentação em curto-circuito, regular o potenciômetro de corrente para o máximo e ir trocando os valores de R16, até encontrar a corrente de saída idealizada. Pode ser colocado um amperímetro de 10A entre os pólos positivo e negativo para medir a corrente.

Já a tensão máxima de saída é ajustada por R4, que fica em paralelo com R5. O valor de 33K ohm para R4 rendeu uma saída de 40,8V máximos. Para determinar a tensão máxima de saída, deixar o potenciômetro de tensão e o ajuste fino totalmente no sentido horário e ir trocando R4 até encontrar o valor desejado da tensão de saída.

Preferi utilizar resistores, como o projeto original indica, ao invés de trimpots, por duas razões: preço e confiabilidade. Resistores são mais robustos que os trimpots, pois não empregam partes mecânicas que podem falhar ao longo dos anos.

No artigo original, havia a calibração para os medidores de tensão e corrente, que agora são comprados prontos e não foram utilizados no projeto desta placa. Se o usuário quiser utilizar mostradores analógicos, recomendo ler o artigo em questão [1].

Os testes

Foram feitos dois tipos de testes. O primeiro deles foi comprovar o funcionamento, antes da montagem definitiva. É a montagem no estilo “sanduíche aberto” (figura 91), momento em que se fez os ajustes de tensão e corrente máximas.

Nesta configuração, foi possível atingir 45V na saída, com pouco consumo de corrente. A corrente máxima chegou a 4,8A, com tensão de 37V. Mas por precaução, ao montar definitivamente a fonte, optei por limitar a tensão máxima em 40V e a corrente a 4A.  Até para evitar estresse na fonte, porque não adicionei nenhum transistor de saída, além dos 3 existentes no projeto original.  Eles já aquecem bastante a 4A, com esta corrente é necessário ventilação forçada.

O segundo teste utilizou uma carga dinâmica, para comprovar a estabilidade do circuito de regulagem da fonte. Para isto, a Elektor ajudou novamente, através de dois artigos. O primeiro texto [27], mais antigo, que trata da utilização do gerador de pulsos, sugere uma carga dinâmica com transistor BD139 (figura 92).

Já o texto publicado na Circuit Cellar [28], “Testing Power Supplies” (Testando fontes de alimentação), que tem a participação do renomado engenheiro Ton Giesberts, da Elektor, mostra um circuito mais moderno, que utiliza um transistor MOSFET para a mesma função.

Nos dois circuitos, que são muito semelhantes, o controle do chaveamento provém de um gerador de ondas quadradas (gerador de áudio). O transistor coloca (ou não) um resistor a mais em paralelo com a fonte. O consumo de corrente varia entre 90% e 10% da capacidade de corrente da fonte, conforme ele esteja em condução ou em corte, respectivamente.

O primeiro circuito é adequado para testar fontes de 5V. Utiliza um transistor bipolar, que tem queda de tensão importante e que deve ser considerada no cálculo do resistor de coletor.

Já o esquema da figura 93 foi idealizado com base nas informações do artigo de Ton Giesberts. Ele foi projetado para oferecer uma carga de 10% e 90% para 4A, sob 12VCC. Escolhi a tensão de teste de 12V de modo a facilitar os testes para comparação com uma fonte de PC, de alta capacidade.

Assim, para drenar 400mA de corrente (10%) em R1, foram ligados em série dois resistores (3,3 e 27 ohm), num total de 25W. Para a carga de 80% (R2), foram utilizados dois resistores em paralelo (18 ohm/10W e 4R7/25W).

A potência destes resistores é insuficiente para testes prolongados, mas servem ao nosso propósito de identificar o comportamento da fonte com cargas dinâmicas. A figura 94 mostra o dispositivo de teste da fonte, conforme o esquema da figura 93. O transistor está montado sobre um pequeno dissipador de alumínio, que não aparece na foto, pois fica debaixo da placa de fibra.

Não foram utilizadas lâmpadas incandescentes como carga, pois elas alteram demais a resistência quando aquecem o filamento. Isto prejudica o comportamento do circuito, que utiliza diversas frequências de chaveamento, pois deforma a onda vista no osciloscópio.

Mediante adaptações, este circuito poderá testar fontes de qualquer capacidade, especialmente as de computadores. Para isso, poderia ser montado um circuito com vários transistores MOSFET, cada um com o seu resistor. Os transistores MOSFET de até 100V de tensão de trabalho, apresentam baixíssima resistência entre dreno e supridouro (D e S), que permite o cálculo direto do resistor de dreno, sem considerar qualquer queda de tensão.

A configuração das ligações dos transistores poderia ser feita por chave ou microcontrolador, colocando um ou mais transistores em paralelo, de modo a oferecer uma carga condizente com a capacidade da fonte sob teste.

Para os testes, utilizei um gerador de áudio, com saída de 10Vpp a 50 ohm de impedância, em onda quadrada, nas frequências de 40Hz, 400Hz, 4KHz e 40KHZ. O osciloscópio foi calibrado em 2V por divisão no eixo vertical, em leitura AC (CA – corrente alternada). O eixo horizontal foi ajustado para sempre exibir 1 ciclo e meio na tela, conforme a frequência vai subindo: 200ms, 20ms, 2ms e 0,2 milissegundos (200uS).

O comportamento da fonte é observado na tela do osciloscópio. Lembrando que o eixo vertical (Y) da tela mostra a amplitude do sinal (2 Volt em cada quadrinho ou divisão). O eixo horizontal (X) exibe o tempo, que é medido em milissegundos (mS) ou microssegundos (uS), conforme o caso. Um segundo é igual a 1000 milissegundos.

As figuras 95, 97, 99 e 101 apresentam o comportamento da fonte nas frequências citadas, começando pela mais baixa. Já as figuras 96, 98, 100 e 102 mostram as mesmas condições, com a inclusão de um capacitor de 470uF em paralelo com a carga dinâmica.

Conforme o segundo artigo sobre o teste de fontes de alimentação [28], a frequência de avaliação pode variar bastante. Isto ajuda a enxergar para qual tipo de uso a fonte é mais apropriada. Podemos perceber que quando colocamos um capacitor eletrolítico na saída, o comportamento melhora bastante, para quaisquer frequências.

Foram feitos testes com uma fonte de PC (Bestec ATX-300-12Z FDR), que comportou-se melhor (figuras 103 a 105), mas devemos observar que ela trabalhou sob várias condições vantajosas. As principais:

– a tensão de saída é de 12V fixos, o que facilita o controle, pois o projeto todo é em função deste valor;

– o circuito é muito compacto, com fiação curta, o que melhora a velocidade de resposta;

– a capacidade de corrente é amplamente maior (19A), com isso a carga não conseguiu atingir 90% da corrente máxima e não estressou a fonte.

Mas nem tudo é perfeito. Notei que o comportamento da fonte de PC mudou radicalmente conforme a bitola do fio de conexão da carga. Fios muito finos (daquelas garras jacaré prontas, vendidas em maço) estragaram completamente a estabilização, chegando a formar uma onda quadrada (figura 107) de 4Vpp. Ou seja, a tensão da fonte variou 4V, conforme a carga era ligada ou não. Mesmo a adição do capacitor de 470uF não ajudou muito (figura 108), inclusive tendeu a oscilar em frequências maiores.

A fonte montada não é tão rápida quanto a fonte de PC, por isto ocorre o pico inicial da saída, até a estabilização com a carga de 90%. Na verdade, o pico é o mesmo em todas as imagens, só que conforme aumenta a frequência, ele fica mais alargado. Ele se estende por aproximadamente 100uS e soma 12V à tensão de alimentação, com a carga chaveando em 40KHz (pior caso). E seria minimizado se a tensão de entrada do circuito de estabilização não fosse tão diferente da tensão de saída.

Assim, pode não ser grande vantagem uma fonte que consiga entregar de 0 a 40V, talvez um pouco menos fosse melhor. Provavelmente, por isto que a faixa de tensões mais comum em fontes comerciais é de 0 a 30VCC. Outra opção, seria fazer a saída escalonável, como por exemplo 0 a 15V e 10 a 30VCC, através da troca de secundários do transformador.

É possível que, dotando o estágio de potência de transistores mais novos, com maior ganho e aptos a frequências mais elevadas, este problema seja minimizado.

Ou mesmo reprojetando o circuito impresso, cuidando para evitar fiação longa que possa aumentar indutâncias e capacitâncias parasitas. Correntes muito altas exigem mais transistores e impõe maiores dificuldades para o controle deles, pois a capacitância das junções a serem comandadas aumenta, o que causa lentidão na resposta a transientes.

Também fiz um teste com uma bateria de 12V, própria para alarmes.

Idealmente, o chaveamento da carga não deveria exercer qualquer influência sobre a tensão de alimentação, mas não é o que ocorre na prática. Nem numa bateria nova e carregada (com impedância muito baixa), com capacidade de 7Ah, o comportamento é ideal (figura 109). Pode-se notar que, momentaneamente, a bateria entrega à carga uma tensão maior que os 12V…

É interessante observar que na figura 109 o osciloscópio está medindo em CC (DC), ao contrário das outras telas vistas até agora. A linha mais inferior da tela serve de referência de 0 Volt, sendo que o eixo vertical está ajustado em 5V por divisão.

O pico, de aproximadamente 9V acima da tensão de 13,8V, mantém-se por cerca de 50uS. Neste pequeno instante, a bateria chega a entregar perto de 22V!

O comportamento da tensão com a bateria piora (aumenta a amplitude das imperfeições da onda) se os cabos forem mais finos. Com isso, percebe-se a importância de respeitar certos limites de comprimento e bitola dos cabos.

Precauções em projetos

Os testes aqui evidenciam a necessitade de controlar o excesso de tensão de alimentação em circuitos sensíveis, pois podem originar erros nas tarefas que deveriam desempenhar ou diminuição da vida útil do aparelho/componente, principalmente quando há mudanças bruscas no consumo de energia. Um exemplo típico são os frequentes erros e falhas do sistema operacional, em computadores com fontes de má qualidade. Outro, o acionamento de LEDs em fiações muito longas, que podem causar sua queima.

Uma forma eficiente de diminuir o problema nos projetos é que o controle de espúrios e a adequada filtragem sejam feitos o mais próximo possível da carga. Se os cabos forem muito longos entre a alimentação e a carga, um estágio adicional de filtragem é obrigatório.

Em circuitos simples, um resistor (ou indutor, conforme o caso) de valor adequado no ramo positivo, acompanhado de um capacitor eletrolítico para filtragem, podem fazer muita diferença para a estabilidade de funcionamento. Se forem colocados dois capacitores, um antes e outro após o resistor ou indutor, está formada a conhecida (e eficaz) rede Pi de filtragem. A filtragem adicional é uma técnica muito utilizada em áudio, para evitar interferência da etapa de potência nos estágios de pré-amplificação (componentes em destaque na figura 110).

Varistores ou diodos zener, colocados na linha de alimentação, também podem ajudar nesta limitação. A tensão de ativação deles deve ser pouco maior que a de alimentação, para ficarem “invisíveis”, até o surto aparecer e ser absorvido. Uma apostila interessante sobre o uso de varistores é da Siemens [29].

A aparência final

Na figura 111, aparecem todas as peças juntas, antes da montagem no gabinete. A placa de circuito impresso foi montada sobre tocos de mangueira plástica, que serviram como espaçadores, sobrepostos a uma chapa de fibra isolante (figura 112), de modo a evitar qualquer problema de curtos-circuitos. A fibra é um cartão grosso, utilizado em oficinas que enrolam motores elétricos.

Nos furos de fixação da placa de circuito impresso (figura 113), percebe-se que os parafusos não conseguem tocar o cobre das trilhas. É que o furo é escareado levemente, para que exista no seu entorno uma área isolada. Junto com um espaçador feito de material isolante, o isolamento fica garantido. Utilizo esta técnica há mais de 30 anos, nunca deu um só defeito. Mas também nunca foi utilizada para tensões acima de 100VCC.

Na maioria das fotos anteriores, os knobs que aparecem são de alumínio, mas eu não estava contente com este visual. Eu já tinha um knob pequeno de baquelite, da Joto. Numa loja de eletrônica, encontrei dois antigos knobs do mesmo fabricante, também de baquelite. O visual definitivo aparece na figura inicial do artigo.

Referências

[1] Revista Elektor nº 24, julho de 1988, primeira edição brasileira – Elektor-bras-24-fontePB

[2] HP6400 – Vecchie Riviste Elektor – http://www.hp64000.net/page3/page3_2/page3_2.html

[3] Webcindario – Amplificador operacional de propósito general – LM741 – http://electronica.webcindario.com/componentes/lm741.htm

[4] Alldatasheet – LM741CN – http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/66386/INTERSIL/LM741CN.html

[5] Texas – LM741 – http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf

[6] Datasheet Catalog – LM741 – http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/7/4/LM741.shtml

[7] CP Eletrônica – Equipamentos – http://www.cp.com.br/equipamentos.php

[8] Elliot Sound Products – Transformers – The Variac – http://sound.westhost.com/articles/variac.htm

[9] Variac Industria Metalúrgica Ltda. – http://www.variac.com.br/

[10] ISE – Variable Transformer Selector – http://variac.com/staco_Variable_Transformer_Map.htm

[11] Máquinas e Acessórios Gutierrez – Variador ou regulador de tensão – http://www.maqgutierrez.com.br/0/10/393/MaqGutierrez/Mat.+El%C3%A9tricos/Variador+ou+regulador+de+tens%C3%A3o

[12] KiCad EDA Software Suite – http://www.kicad-pcb.org/display/KICAD/kicad+EDA+Software+Suite

[13] Centro Tecnológico Estadual Parobé – Curso de Eletrônica – Laboratório de Eletrônica Analógica I – http://www.taqui-tche.com.br/TRANSISTOR_3.pdf

[14] Universidade Federal de Pernambuco – UFPE – Grupo de Engenharia da Computação – Greco – Eletrônica – Transistor-08 – http://www.cin.ufpe.br/~ags/eletr%F4nica/aula_08.pdf

[15] Wikipedia – IEC60320 – http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_60320

[16] Schaffner – IEC Power Entry Modules – http://schaffner.com/en/products/emcemi/category/iec-inlet-filters-power-entry-modules.html

[17] Canford – conector CA IEC – http://www.canford.co.uk/Products/42-050_SCHAFFNER-AC-MAINS-POWER-CONNECTOR-IEC-Male-panel-with-filter

[18] FJMsoft – tomada CA tripolar com porta-fusível – http://www.fjmsoft.com.br/ecommerce_site/produto_11151_9175_Tomada-AC-AS07-tripolar-para-painel-com-porta-fusivel

[19] Schaffner – downloads – http://schaffner.com/en/downloads.html

[20] Wikipedia – Unidades de rack – http://pt.wikipedia.org/wiki/Rack_Unit

[21] Wikipedia – Rack unit – http://en.wikipedia.org/wiki/Rack_unit

[22] PlinkUSA – Rackmount Chassis – http://www.plinkusa.net/

[23] ProAudioStash – 19″ Rack Shelf – http://www.proaudiostash.com/product/19-inch-rack-accessories/rack-shelves/plain-shelves/1u-19-rack-shelf/140.shtml

[24] Nilko – Gabinetes e Racks 19″ – http://nilko.com.br/gabinetes19/?gclid=CKWOuO2w_L0CFSdn7Aod1VkAHA

[25] S4T – Racks para servidores – http://www.s4t.com.br/linhas/racks/?gclid=CJuvx-6w_L0CFUQF7AodeUkAjw

[26] Cemar Legrand – Racks e gabinetes VDI – http://www.cemarlegrand.com.br/sites/cemarlegrand.com.br/files/produtos/recursos/lcs2/lcs2_esp_racks.pdf

[27] Revista Elektor nº 11, junho 1987, primeira edição brasileira – Elektor-UsoGeradorPulsos – p. 22-23

[28] Circuit Cellar – Testing Power Supplies – http://circuitcellar.com/ee-tips/testing-power-supplies-ee-tip-112/

[29] CERN – Apostila Siemens sobre varistores – http://te-epc-lpc.web.cern.ch/te-epc-lpc/components/datasheets/te-epc-lpc%20(converters)/Varistor%20(SIEMENS).PDF

[30] Farnell – Fonte laboratório TTi – http://www.farnell.com/datasheets/1796748.pdf

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