PROJETOS / Consumo

11/12/2007 12:08:01

O que você precisa saber sobre fontes - Parte 2- Reguladores de

tensão

Na primeira parte deste artigo descrevemos as funções do transformador, retificador e filtro numafonte linear. Agora veremos como obter uma tensão constante, independentemente das variaçõesde entrada ou do consumo da carga.

New ton C. Braga

Regular a tensão de saída de uma fonte significa torná-la constante, independente das variaçõesda corrente na carga e da tensão na entrada, dentro de certos limites.

Existem diversos recursos com a ajuda dos quais podemos fazer isso. Podemos ter regulagenssimples com diodos zener, usando transistores e circuitos integrados especialmente criados paraesta finalidade.

O que veremos a seguir são algumas amostras de como podemos fazer a regulagem e o ajuste datensão de uma fonte.

1 - Regulagem e ajuste

Utilizando um transformador, retificador e filtro como vimos até agora, já temos uma tensão contínuaque pode ser usada para alimentar determinadas cargas. No entanto, devido às características docapacitor e da própria corrente pulsante, a tensão sobre a carga vai variar conforme ela exija maisou menos corrente.

Em outras palavras, a tensão não é estabilizada ou regulada.

Para obter uma tensão constante sobre uma carga, uma tensão que não sofra variações quando oconsumo da carga se altera ou mesmo quando a tensão de entrada do circuito varia, precisamoscontar com um circuito regulador de tensão. Para a regulagem da tensão de uma fonte há diversasconfigurações que podem ser empregadas. Algumas delas muito simples, baseadas em poucoscomponentes e outras sofisticadas, baseadas em circuitos integrados complexos.

Comecemos pela forma mais simples, pois através dela podemos entender como tudo funciona.Ela consiste em fazer a regulagem de uma fonte aproveitando as propriedades elétricas dos diodoszener.

Os diodos zener, quando polarizados no sentido inverso, mantém constante a tensão entre seusterminais numa ampla faixa de valores de corrente, conforme mostra a figura 1.

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Figura 1 - Curva característica de um diodo zener

Assim, se ligarmos um diodo zener após o circuito de filtragem de uma fonte, de acordo com afigura 2, a tensão sobre o zener, que é a tensão na carga ligada em paralelo com ele, se mantémconstante.

Figura 2 - Vz=constante

O resistor é calculado de modo que na corrente mínima da carga tenha uma corrente mínima nodiodo zener que ainda o faça manter a tensão zener entre seus terminais, e que esteja abaixo desua capacidade de dissipação. Por outro lado, quando a corrente na carga for máxima, a queda detensão no resistor deve ser compatível com a entrada de tensão do circuito.

Como os diodos zener, em geral, são componentes de pequena dissipação, este tipo de reguladornão é muito usado da forma como o descrevemos. Entretanto, podemos aproveitar as propriedadesdo diodo zener para elaborar circuitos que sejam mais eficientes, tanto na manutenção da tensãoda carga quanto no manuseio de correntes elevadas.

Assim, existem duas configurações possíveis para os reguladores de tensão empregados emfontes lineares: em série e em paralelo.

2 - Regulador série

A idéia básica de um regulador série é ligar em série com a linha de alimentação da carga umcircuito que funcione como um resistor variável tendo por referência um diodo zener, conformeilustra a figura 3.

Figura 3 - Regulador-série

Com base nas informações do diodo zener e da própria tensão de saída através de um circuito derealimentação, o regulador muda sua resistência de modo a manter a tensão na carga constante,independentemente da corrente que ela esteja drenando.

A configuração mais simples para este circuito é a que faz uso de um transistor NPN, um diodozener e um resistor, observe a figura 4.

Figura 4 - Configuração série mais simples

O zener mantém constante a tensão na base do transistor, polarizado pelo resistor.

Visto que para conduzir, a tensão de base do transistor deve ser aproximadamente 0,6 V maior quea tensão de emissor, com o uso do zener como referência garantimos que o circuito sempre vai secomportar no sentido de manter a tensão de emissor 0,6 V abaixo da tensão de base, conformemostra a mesma figura.

Assim, usando um diodo zener de 12,6 V, garantimos que no emissor do transistor, no qual é ligadaa carga, a tensão será sempre 12 V.

Veja que, para que este circuito funcione, devemos considerar a queda de tensão no transistorquando ele conduz. Isso significa que a tensão de entrada deste circuito deve ser pelo menos 2 Vmaior do que a tensão que desejamos na saída.

O resistor, por outro lado, deve ser calculado de modo que ele forneça a corrente que o transistorprecisa para saturar e, ao mesmo tempo, mantenha a tensão que o diodo zener precisa parafuncionar.

A vantagem desse circuito é que o diodo zener é percorrido por uma corrente muito pequena emrelação à corrente exigida pela carga, pois essa corrente é amplificada pelo transistor. Adesvantagem reside no fato de que o transistor se comporta como um resistor variável com umadissipação elevada de potência, em função da corrente drenada pela carga. Mesmo nas fontesrelativamente pequenas, os transistores utilizados neste tipo de circuito devem ser dotados de bonsradiadores de calor.

Na prática, apenas nas fontes mais simples encontramos a configuração dada como exemplo.

Circuitos mais elaborados podem ser conseguidos com o emprego de Darlingtons, e mesmo

Circuitos mais elaborados podem ser conseguidos com o emprego de Darlingtons, e mesmorecursos adicionais como proteções contra curto-circuitos, etc. Deste modo, seguindo essaconfiguração temos muitos reguladores de tensão de três terminais na forma de circuitosintegrados.

Basicamente, tem-se dois tipos de reguladores-série para o uso em fontes de alimentação: fixos evariáveis.

Os reguladores fixos possuem um zener interno que já determina a tensão de saída. Assim, oterminal desse zener normalmente é ligado à terra como no caso dos reguladores de 6 e 12 V,7806 e 7812, conforme exibe a figura 5.

Figura 5 - Reguladores fixos de 6V e 12V

Veja que esses reguladores são dotados de invólucros que permitem sua montagem direta emdissipadores de calor.

Pequenas alterações na tensão de saída podem ser conseguidas com o acréscimo de um diodoadicional externo que somará sua tensão à do diodo interno, como no caso da figura 6.

Figura 6 - Acréscimo de diodos externos

Na configuração indicada, colocando-se dois diodos comuns polarizados no sentido direto, elessomarão 1,2 V à tensão de um 7806 de 6 V de saída, obtendo-se assim 7,2 V de saída.

Os circuitos integrados da série 78XX, conforme caracerísticas conhecidas, podem controlarcorrentes até 1 A em sua versão básica.

Para obter mais corrente do que o circuito pode fornecer, é normal o uso de transistores adicionaisnas configurações apresentadas na figura 7.

Figura 7 - Para correntes de saída acima de 1A

Repare que, se transistores forem ligados em paralelo, resistores de emissor devem seragregados para haver uma distribuição correta das correntes entre eles.

Também é importante observar que a regulagem não precisa ser feita obrigatoriamente na linhapositiva de alimentação. Nas fontes simétricas é comum o uso de reguladores positivos enegativos de tensão ao mesmo tempo.

Tanto o diodo zener como os próprios circuitos reguladores mais sofisticados podem fazer aregulagem negativa de tensão, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 - Regulagem de tensão negativa

Os circuitos integrados da série 79XX, por exemplo, são reguladores negativos de tensão.

É bom lembrar também que existem reguladores com diodos zeners internos de valores muitobaixos, o que permite adicionar um circuito externo para ajustar a tensão de saída.

Temos então os reguladores variáveis (que tanto podem ser negativos como positivos), capazes decontrolar correntes bastante altas.

Citamos como exemplo os reguladores LM317 e LM350 de que trataremos em outro artigo commais detalhes. Nessa categoria também podem ser incluído o 723.

Regulador paralelo (shunt)

Uma forma menos comum de fazer a regulagem da tensão de uma fonte é através de um reguladorparalelo, cuja configuração básica com um transistor é ilustrada na figura 9.

Figura 9 - Regulador de tensão paralelo

Esse regulador funciona como um zener de alta potência, derivando a corrente na carga de modoque a tensão entre seus terminais seja mantida constante.

O circuito é calculado de tal maneira que as correntes drenadas pela carga e pelo regulador,somadas, resultem numa resistência que, em série com a resistência R de entrada, gere a tensãode alimentação da carga.

Assim, quando a carga aumenta seu consumo, o regulador diminui, o que faz com que a soma dascorrentes se mantenha e, com isso, a tensão na carga.

A grande desvantagem desse circuito é que a dissipação de potência é constante, mesmo quandoa carga está com seu consumo mínimo.

Além disso, em função da corrente da carga, o regulador pode dissipar potências bastante altasexigindo assim o uso de grandes dissipadores e transistores com capacidade de corrente elevada.

Proteção

Um problema que pode ocorrer com os circuitos de fontes lineares até este ponto é que umacorrente excessiva na saída, como a causada por um curto-circuito, pode causar a sobrecarga equeima dos elementos reguladores, principalmente o transistor ligado em série.

Para evitar isso, como elemento final do circuito, podem ser agregadas proteções capazes dedesabilitar a fonte em caso de curto, ou ainda limitar sua corrente.

A forma mais simples de obter proteção para uma fonte consiste em agregar um fusível em sérietanto com a entrada quanto com a saída, conforme exibe a figura 10.

Figura 10 - Proteção com fusíveis

O fusível de saída é dimensionado para abrir com uma corrente um pouco maior do que a máximaque a fonte pode fornecer. Já o fusível de entrada é dimensionado em função do consumo total dafonte em condições de carga máxima. Observe que esse fusível de entrada não tem a correntemáxima de saída da fonte.

Uma fonte de 12 V x 1 A, se ligada na rede de 110 V, ao fornecer 1 A de saída, drenará pouco maisde 100 mA da rede de energia (a potência se mantém constante). Assim, um fusivel de 500 mA naentrada serve perfeitamente para proteger essa fonte.

Outra forma de fazer a proteção de uma fonte é com o uso de um circuito do tipo“crowbar”. Nessetipo de proteção, um circuito detecta a sobrecorrente ou curto-circuito na saída acelerando a queimado fusível de proteção, acompanhe na figura 11.

Figura 11 - Proteção do tipo crowbar

Um tipo mais usado de proteção é aquele que limita a corrente na saída, ou a corta quando ela setorna excessiva. Isso é feito a partir de um transistor sensor ligado em paralelo com o zener, veja afigura 12.

Figura 12 - Proteção com transistor em paralelo com zener

Quando a corrente de saída eleva a tensão no resistor sensor (R) de modo que ela supere os 0,6 V,o transistor conduz, colocando praticamente em curto o diodo zener.

Dessa forma a tensão de referência cai para zero ou um valor muito baixo, cortando a corrente nocircuito.

Outros componentes também podem ser utilizados em circuitos de proteção, como um SCR ligadoa um relé, conforme mostra o circuito da figura 13.

Figura 13 - Proteção com SCR ligado à relé

Nesse circuito quando a corrente circulante pelo resistor R (que é a corrente de carga monitorada)alcançar um valor que faça aparecer sobre ele uma tensão da ordem de 1 V, o SCR irá disparar.

Com isso, o relé fecha os seus contatos, desligando imediatamente a fonte e acionando umdispositivo de aviso, que pode ser um LED ou um oscilador.

Para rearmar a fonte, basta remover a causa da sobrecorrente e desligar a fonte por um instante.

Em algumas fontes protegidas, esse circuito é associado a um fusivel, atuando como crowbar.Também é importante citar que alguns circuitos integrados reguladores de tensão possuemproteção térmica.

Quando a temperatura do componente se eleva, passando dos limites pré-estabelecidos, quer sejapor sobre-carga ou ainda por curto, componentes internos entram em ação cortando a corrente nasua saída.

Conclusão

O que vimos foi apenas uma pequena parcela do que o leitor pode saber sobre fontes dealimentação.

No livro Fontes de Alimentação o leitor encontrará muito sobre fontes de alimentação, além de umavasta coletânea de projetos práticos tanto de fontes lineares como de outros tipos.

* Matéria originalmente pub licada na revista Eletrônica Total; Ano: 19; N° 127; Nov / Dez - 2007

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