Projetando e Montando Fontes Sem Transformador (ART009)

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Este artigo não é novo, mas descreve uma configuração de grande utilidade. Trata-se das fontes sem transformador ou abreviadamente FAST. Nele descrevemos o princípio de funcionamento deste importante tipo de fonte econômica, hoje encontrada em muitas aplicações práticas. Se bem que não contem com a segurança do isolamento proporcionado pela presença de um transformador, sua utilidade se manifesta nas aplicações em que não existe o perigo do contato das partes vivas do equipamento com o usuário. Assim, eliminando-se esse perigo de choque, essas fontes encontram uma enorme gama de aplicações que vão desde a alimentação de calculadoras e radinhos até a carga de baterias de celulares e outros equipamentos. Um artigo importante para quem deseja montar sua própria fonte sem transformador.

Fontes de alimentação sem transformador ou abreviadamente FAST ou simplesmente fontes que não usam transformador, são de grande utilidade em projetos de baixo consumo que devam ser ligados à rede de alimentação, por eliminarem a necessidade de um componente caro e volumoso que é o transformador de alimentação. Como projetar e montar este tipo de fonte é o que veremos neste artigo, de grande utilidade para quem precisa de fontes até 12 V com correntes máximas de saída da ordem de 50 mA.
As fontes de alimentação comuns normalmente têm uma estrutura como a mostrada na figura 1 onde temos logo na entrada um transformador que abaixa a tensão da rede de energia para uma tensão mais baixa que possa ser trabalhada pelos circuitos de retificação, filtragem e regulagem.

Figura 1 – Diagrama de blocos de uma fonte de alimentação linear comum.

No entanto neste tipo de fonte, o transformador é um componente inconveniente, pois além de pesado é caro e volumoso. Em muitas aplicações práticas onde o espaço e o custo são importantes a possibilidade de se eliminar este componente deve ser analisada. Existem diversas soluções que possibilitam a eliminação do transformador e que são aproveitadas na prática. Uma delas é a que faz uso de fontes chaveadas ou comutadas, mas sua estrutura mais complexa nem sempre é simples ou conveniente para implantação. Outra solução é a que abordamos aqui é da se aproveitar a reatância capacitiva de um capacitor para fazer a redução da tensão.

Reatância Capacitiva
Quando ligamos um capacitor a um circuito de corrente alternada, sua carga e descarga representam uma corrente média, que depende tanto do valor deste capacitor como também da frequência, conforme mostra a fórmula abaixo:

Onde:
Xc é a reatância capacitiva em ohms
? = constante = 3,14
F é a frequência em hertz
C é a capacitância do capacitor em farads

Conforme podemos perceber, o capacitor comporta-se como um resistor quando ligado a um circuito de corrente alternada podendo funcionar como um redutor de tensão se ligado em série com uma carga. A grande vantagem é que, enquanto o resistor dissipa uma potência que é dada pela sua resistência multiplicada pelo quadrado da corrente (P = RxI2), o capacitor não dissipa potência, daí sua vantagem. Assim, tudo que temos de fazer num projeto de uma fonte de transformador é ligar o capacitor em série com um circuito de retificação, filtragem e regulagem, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Circuito básico de uma fonte sem transformador.

Neste circuito, o capacitor determina a corrente na carga de acordo com seu valor. Sua reatância deve ser tal que provoque a queda de tensão desejada com a corrente drenada pela carga, de acordo com a frequência da rede e sua tensão. Podemos pensar nele como um resistor cuja resistência é Xc (reatância capacitiva) ligado em série com a carga. A partir disso, o problema básico será então calcular os componentes deste circuito, o que ensinaremos agora.

Calculando os Componentes.
O procedimento que damos a seguir é válido para fontes simples até uns 50 mA de corrente. Para os cálculos partimos então do divisor capacitivo mostrado na figura 3.

Figura 3 - Divisor capacitivo

Neste circuito, como a tensão na carga é muito menor do que a tensão de entrada e portanto a queda de tensão no capacitor, podemos despreza a carga e considerar diretamente uma queda de 110 V ou 220 V no capacitor, conforme o caso, com a corrente desejada. Ou seja, calculamos qual deve ser o valor do capacitor para que tenha uma reatância capacitiva que resulte na corrente de carga desejada, no nosso caso 20 mA ou 0,02 A. Começamos então calculando o valor de C.

Neste circuito temos:
Vent – 110 V
I = 0,02 A (20 mA)
F = 60 Hz
C = ?

Com estes dados determinamos então  a impedância (Z) do circuito para a rede de 110 V com uma corrente de 0,02 A. Isso é dado pela fórmula:

Z = Vent/I

Z = 110/0,02 = 5 500 ohms

Esta é a reatância capacitiva que o capacitor deve apresentar em nosso circuito. Podemos calcular Xc, que é a reatância capacitiva que o capacitor utilizado neste circuito deve ter. A fórmula será:



Xc deve então ser igual a Z:

Para os valores calculados temos:

5 500 = 1/(2 x 3,14 x 60 x C)

Portanto:

1/C = 2 x 3,14  x 60 x 5 500
C = 1/(2 072 400)
C = 0,000 000 482 Farads
C = 0,482 uF = 482 nF

Evidentemente, deve ser utilizado um capacitor de poliéster com pelo menos 50% a mais do que o valor de pico da tensão de entrada da rede.
Quanto ao capacitor de filtragem, basta utilizar um valor suficiente para se ter um ripple reduzido. Se bem que possamos calcular este capacitor, uma regrinha prática nos diz que, para até 12 V, precisamos de 1 000 uF para cada ampère. Isso quer dizer que um capacitor  de 220 uF a 470 uF será mais do que suficiente para nossa fonte.

Montagem de Fonte Simples sem Transformador (3 a 12 V x 20 mA)
Para aplicações em que o isolamento da rede de energia não é importante, pode-se economizar o transformador, que é um componente caro, pesado e volumoso. Em seu lugar aproveita-se a reatância capacitiva de um capacitor de poliéster de boa qualidade para fazer a redução da tensão da rede de energia.
O projeto que apresentamos pode operar tanto na rede de 110 V como 220 V e fornece uma corrente até 20 mA. A tensão de saída depende unicamente do diodo zener usado, ficando entre 3 V e 12 V. Tensões menores podem ser obtidas com uma referência formada por diodos comuns, conforme mostra a figura 4.


Figura 4 – Regulagem de baixas tensões pode ser obtida com o uso de diodos comuns.

Cada diodo fornece uma tensão da ordem de 0,6 V quando usado como referência. Assim, para 2,4 V basta usar 4 diodos em série. Um  LED também pode ser usado como referência de 1,6 V para os tipos vermelhos. Para os tipos amarelos e verdes a referência será de 1,8 V e 2,1 V conforme mostra a figura 5.

Figura 5 – LEDs podem ser utilizados como reguladores (zeners) de baixa tensão.

Evidentemente, como se trata de fonte que não está isolada da rede de energia, ela não deve ter partes expostas e nem os aparelhos que vão ser alimentados. Pequenos rádios, calculadoras, relógios são alguns dos aparelhos que podem ser alimentados por esta fonte. Na figura 6 temos o diagrama completo da simples fonte.

Figura 6 - Diagrama completo da fonte sem transformador com retificação por onda completa.

Sua montagem não exige mais do que uma pequena ponte de terminais para servir de suporte para os componentes, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – Montagem da fonte utilizando uma ponte de terminais.

É claro que se o leitor tiver recursos para elaborar placas de circuito impresso, pode usar o padrão da figura 8 como referência.

Figura 8 – Montagem em placa de circuito impresso.

O componente crítico deste projeto é o capacitor que deve ter valores e tensões de trabalho conforme a seguinte tabela. Deve ser usado um capacitor de poliéster de boa qualidade:

O fusível de entrada é importante para proteger o circuito, já que se o capacitor entrar em curto,é preciso que a alimentação seja desligada imediatamente. O capacitor eletrolítico deve ter uma tensão de trabalho um pouco maior do que a desejada na saída. Por exemplo, para uma saída de 6 V, use um capacitor de 12 V ou 16 V. O circuito cabe numa pequena caixa do tipo eliminador de pilha plugável na própria rede a partir de qualquer tomada comum.

Lista de Material
D1 a D4 – 1N4004 – diodos de silício
C1 – Capacitor de poliéster – ver tabela e texto
Z1 – Zener de 3 a 12 V x 1 W – conforme tensão de saída desejada
C1 – 470 uF – capacitor eletrolítico – ver texto
F1 – 500 mA – fusível
Diversos:
Ponte de terminais ou placa de circuito impresso, cabo de força, suporte de fusível, fios, solda, caixa para montagem, etc.

Na seção de “Circuitos Simulados” de nosso site você terá o circuito apresentado simulado no Multisim. Se você tiver acesso a este programa poderá projetar sua própria fonte com base neste artigo e depois conferir, se ela funciona da maneira esperada. Mais simulações de fontes devem ser postadas em breve.