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Fontes Reguladas A partir de sua descoberta, o transistor popularizou-se muito rapidamente como substituto da válvula tríodo e passou a ser empregado na grande maioria dos circuitos eletrônicos. Paralelamente à substituição das válvulas, novas aplicações foram descobertas para o transistor. Uma destas aplicações é a construção de fontes de alimentação reguladas à base de transistores que hoje são utilizadas na maioria dos circuitos eletrônicos. Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades deste capítulo, você deverá ter conhecimentos relativos a fontes de alimentação com filtro, regulação de tensão com diodo zener e relações entre parâmetros do transistor bipolar. Este texto tratará do princípio de funcionamento das fontes reguladas a transistores e o uso de transistores em configuração darlington. Regulação de tensão em fontes de alimentação A necessidade de projetar e montar fontes reguladas de boa qualidade provém do fato que as fontes não-reguladas nem sempre atendem aos requisitos necessários para todos os usos. Existem duas razões para isso: • Regulação pobre; • Estabilização pobre. Como resultado de uma regulação pobre, tem-se uma variação na tensão de saída quando a carga varia. Veja gráficos comparativos a seguir. Tensão de saída em relação à corrente de carga em fontes de alimentação Nas fontes não-reguladas, as variações de tensão de entrada (na rede CA) provocam variações proporcionais na tensão de saída e o resultado é uma estabilização pobre. 1 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Variação na tensão de saída das fontes não reguladas Circuitos reguladores de tensão Existem circuitos eletrônicos cuja finalidade é melhorar o desempenho das fontes de alimentação, fornecendo um valor preestabelecido de tensão de saída, independentemente das variações que ocorrem na corrente de carga na tensão da linha de alimentação CA. Normalmente, estes circuitos são denominados de reguladores de tensão, embora sejam, na realidade, reguladores e estabilizadores de tensão. Tensão antes e após a passagem pelo regulador de tensão Observação Deve-se sempre considerar que não existe um sistema regulador de tensão perfeito. As variações na tensão de entrada sempre provocam pequenas alterações na tensão de saída. Os sistemas reguladores devem funcionar de tal forma que as variações na tensão de saída sejam as menores possíveis. Classificação dos circuitos reguladores Os circuitos reguladores são classificados em dois grupos, segundo a posição do elemento regulador em relação à carga: 2 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas • Regulador paralelo; • Regulador série. Um circuito regulador é considerado paralelo quando o elemento regulador é colocado em paralelo com a carga. Elemento regulador em paralelo com a carga Um exemplo típico de regulação paralela é aquela que utiliza o diodo zener como elemento regulador. Na prática, esse tipo de circuito só é utilizado quando a corrente de carga é bastante reduzida. Um circuito regulador é classificado como sendo série quando o elemento regulador é colocado em série com a carga. Elemento regulador em série com a carga Na regulação série, as variações de tensão da entrada são absorvidas pelo elemento regulador, e uma tensão de saída praticamente constante é entregue à carga. Nesse tipo de circuito, apenas o elemento regulador dissipa potência. 3 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Regulação série com transistor Os reguladores de tensão do tipo série com transistor são largamente empregados na alimentação de circuitos eletrônicos devido a sua boa capacidade de regulação. Regulador de tensão série com transistor A associação diodo zener-resistor, ligada à tensão de entrada, permite a obtenção de uma tensão constante (VZ), independentemente das variações da tensão de entrada. A tensão constante do diodo zener é aplicada à base do transistor, ou seja, a tensão de base do transistor é estabilizada no valor VZ, sendo VZ = VB Como a carga está ligada ao emissor do transistor, a tensão sobre ela (VRL) será a tensão aplicada à base (VZ) menos a queda na junção base-emissor (VBE): VRL = VB - VBE ou VS = VZ - VBE A diferença entre a tensão de entrada (VENT) e a tensão de carga (VRL) fica entre coletor e emissor do transistor (VCE) que atua como elemento regulador. VS = VENT - VCE Observe que qualquer variação da tensão de entrada não é transferida para a saída, pois a tensão de base do transistor está estabilizada pelo zener. A evolução natural do circuito da figura anterior é a que é mostrada na figura a seguir: 4 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Regulador utilizando dois transistores O transistor T1 age como um resistor variável, com a função de elemento controlador de corrente, o transistor T2 compara a tensão de referência fornecida pelo zener com aquela retirada (amostra) do divisor de tensão formado por R3 e R4, e, ao mesmo tempo, amplifica a diferença (erro) que comandará o transistor regulador. Uma vantagem adicional do circuito da figura anterior em relação ao da figura “Regulador de tensão série com transistor”, é que a tensão de saída pode ser bem maior do que a de referência. Além disso, fazendo-se o divisor de tensão ajustável, pode-se controlar a tensão de saída Vs dentro de certos limites. A configuração Darlington Como é possível verificar na figura anterior, a corrente de coletor do transistor amplificador de corrente contínua é no mínimo, igual à de base do transistor de controle. Se o fator de amplificação (βDC ou hfe) de corrente desse transistor for baixo, a corrente de base poderá atingir um valor tão grande que exija que T2 também seja um transistor de potência (com encapsulamento metálico para dissipação de calor), o que irá encarecer o circuito. Para diminuir a corrente de coletor do transistor amplificador de CC, devemos escolher um transistor de controle com fator de amplificação elevado. Como isso nem sempre é possível, lança-se mão da montagem em configuração Darlington para o circuito de controle como é mostrado na figura a seguir: Configuração Darlington 5 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Coletor Emisso Base Nesta configuração, também chamada de multiplicador de β, o fator de amplificação de corrente do conjunto é praticamente igual ao produto dos fatores de amplificação de cada transistor. Uma vantagem adicional de se trabalhar com elemento de controle de βDC elevado é o aumento da eficiência do controle da estabilização, pois bastará uma pequena variação da corrente de base para provocar grande alteração na corrente de coletor. Por exemplo, se empregarmos dois transistores montados em uma configuração Darlington como elemento de controle, tendo o primeiro transistor um βDC de 20 e o segundo de 50, o conjunto terá um βDC de aproximadamente 50 x 20 = 1000. Isto significa que a variação de 1 mA na base do conjunto provoca a variação de 1000 mA na corrente de emissor! Se fosse utilizado apenas um transistor de βDC = 20, a variação de 1 mA na base produziria a variação de apenas 20 mA na corrente de saída. Reguladores em circuitos integrados Existem circuitos integrados que fazem toda a regulação da tensão de saída de uma fonte de CC de forma simples e muito eficiente. Esses circuitos integrados estabilizadores de tensão, também conhecidos como reguladores de tensão monolíticos, podem fornecer uma tensão de saída fixa ou variável, O regulador de tensão com saída fixa mais utilizado é o de três terminais com encapsulamento de codificação TO-220 da família 78XX e 79XX. O prefixo 78 indica regulador de tensão positiva e o 79 identifica o regulador de tensão negativa. Ele possui limitaçãointerna de corrente, área de segurança de compensação de temperatura e proteção contra curto-circuito na saída. Se for usado com dissipador de calor adequado, pode fornecer à carga corrente superior a 1 A. O regulador de tensão de saída variável mais popular é o LM 317. Os dados sobre esses componentes são encontrados nos data books e manuais dos respectivos fabricantes. O regulador de tensão serial monolítico é um componente que veio facilitar muito a implementação de fontes de alimentação, pois é facilmente ligado ao circuito. Este regulador constitui um componente de grande robustez mecânica e elétrica, sendo ainda encontrado para várias tensões de regulação. O regulador de tensão serial monolítico é apresentado em encapsulamento plástico ou metálico com 3 terminais externos, sendo um terminal de entrada, um terminal terra e um terminal de saída. A pastilha semicondutora interna congrega todos os circuitos necessários à regulação da tensão. A figura a seguir ilustra um modelo de regulador com encapsulamento TO 220. 6 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Regulador de 5 Vcc de tensão positiva (7805) com encapsulamento TO 220 Na linha 78XX o terminal central é o massa, enquanto na linha 79XX o terminal massa é o primeiro da esquerda. O sufixo XX corresponde à tensão de saída, sendo o 7805, por exemplo, um regulador de 5V. O terminal massa, geralmente ligado ao terra do circuito, tem conexão com a parte metálica do componente (localizada no encapsulamento TO 220 na parte traseira), esta parte metálica é destinada a fixação do componente em aletas para dissipação de calor gerado o qual, sem a devida dissipação, poderia levar o CI a destruição. Como muitas vezes este dissipador tem um tamanho considerável em relação ao componente, pode ser que ele tenha alguma de suas partes em contato com outras partes do circuito, mesmo de forma acidental. Neste caso, é interessante que façamos uma fixação do componente eletrônico através de uma isolação elétrica entre o componente e a aleta dissipadora. Para isto, são utilizadas folhas de material isolante, muitas vezes a base de mica, entre o componente e o dissipador. Fixação de componente ao dissipador de calor A falta desta isolação poderia colocar o terminal ligado ao negativo do componente em contato com algum ponto positivo do circuito causando um curto circuito e danificando o regulador de tensão ou outros componentes da placa. Os reguladores monolíticos são largamente aplicados na regulação local de tensões em cartões de circuitos eletrônicos. Assim, a proteção contra curto circuito e a regulação ficam independentes da fonte principal. 7 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Componente Este tipo de aplicação apresenta várias vantagens, podendo ser citadas como principais: A distribuição de calor, que melhora a dissipação; • O fato de se um cartão apresentar curto, os demais continuarem operando; • O fato de se um regulador entrar em curto, apenas o cartão conectado ao mesmo sofrer as conseqüências. Os circuitos integrados são fornecidos para várias tensões de saída, conforme os exemplos abaixo. Circuito integrado Tensão de saída positiva Tensão de saída negativa 7805 +5V - 7905 - -5V 7812 +12V - 7912 - -12V 7815 +15V - 7915 - -15V Um diagrama eletrônico interno típico do componente da linha 78XX é mostrado abaixo. Diagrama eletrônico de um regulador de tensão A figura a seguir exemplifica a aplicação de um regulador de tensão na saída de uma fonte de alimentação: 8 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Aplicação de um regulador de tensão O CI recebe a tensão não regulada (Ve) proveniente da etapa de retificação e filtro e promove a regulação, obtendo-se assim a tensão (VS) de saída. No interior do componente, existe também um circuito para proteção contra sobreaquecimento e sobrecorrente que limita a corrente máxima, para proteger o componente em caso de curto-circuito. Abaixo, encontram-se os parâmetros mais importantes, característicos dos circuitos integrados reguladores da família 78XX/79XX e que precisam ser levados em conta pelo técnico. • Tensão de saída; • Tensão de entrada mínima; • Máxima corrente de saída; • Máxima temperatura de junção; • Faixa de temperatura de operação; • Rejeição de Ripple; • Corrente de pico de saída. 9 SENAI/SP Texto Base 5 – Fontes Reguladas Fontes Reguladas
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