REGULADORES DE TENSÃO

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1 EGUADOES DE TENSÃO EGUADO SÉE: O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada em relação aos reguladores que utilizam apenas diodo zener. O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o elemento regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí o nome regulador série. FUNCONAMENTO: A tensão de saída estará disponível na carga (, então: BE Como >> BE podemos aproximar: Sendo constante, a tensão no ponto "x" será constante Caso N aumente podemos analisar o que acontece aplicando KT: N +, mas CB, logo: N CB + CE CB + BE Portanto, quando N aumenta, como é constante, CB também aumentará provocando um aumento de CE, de modo a suprir a variação na entrada, mantendo constante. N CE Então: se N aumenta CE aumenta não se altera Caso N diminua podemos analisar o que acontece aplicando KT, obedecendo aos mesmos princípios adotados anteriormente. Neste caso CB diminui. Com a diminuição de N CE diminui não se altera MTAÇÕES: alores mínimos e máximos de N Como N + e. mas + B então: N ( + B + Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 1

2 Para N mínima temos: N(MN ( (MN + B(MAX Portanto, abaixo do valor mínimo de entrada o diodo zener perderá suas características de estabilização. Para N máxima temos: N(MAX ( (MAX + B(MN Acima do valor máximo de entrada o diodo zener perderá também suas características de estabilização e será danificado. CONDÇÕES PAA UM POJETO: Alguns parâmetros devem ser observados para que o circuito opere em condições normais sem danificar seus componentes. Tensão de entrada máxima: N(MAX ( B(MN + (MAX. + ( Na pior condição (carga aberta, logo B(MN 0 P(MAX onde: (MAX Tensão de entrada mínima: N(MN ( B(MAX + (MN. + ( N(MAX.( (MAX + De ( tiramos: (MAX N(MAX ( De ( tiramos: (MN + B(MAX Dividindo ( e ( temos: N(MN ( (MN (MAX + B(MAX N(MAX N(MN POJETO Projetar uma fonte de alimentação estabilizada com diodo zener e transistor com as seguintes características: Tensão de saída ( : 6 Corrente de saída máxima ( (MAX : 1,5A Tensão de entrada ( N : 1 ± 10% Escolha do transistor O transistor a ser utilizado deverá obedecer as seguintes características: CBO > N(MAX no caso 13, Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página

3 C(MAX 1 > (MAX no caso 1,5A P C(MAX > ( N(MAX. C(MAX Supondo que o transistor escolhido seja o BD35, que de acordo com o manual do fabricante tem as especificações: CBO(MAX 45 C(MAX A P C(MAX 5W > 40 < 50 Neste caso, o valor mínimo de beta é 40 e o máximo 50. Para que o projeto funcione sem problemas adota-se o beta de menor valor. O transistor escolhido atende as exigências quanto a CBO(MAX e C(MAX. No entanto é preciso verificar se a potência que será dissipada pelo coletor será suficiente para este projeto. erificando a potência que será dissipada pelo coletor: P C(MAX ( N(MAX. C(MAX C(MAX E(MAX - B(MAX E(MAX (MAX C(MAX (MAX - B(MAX B(MAX C(MAX (MN logo: C(MAX (MAX - C(MAX (MN C(MAX (MAX 1+ 1 (MN 1,5 1,5 1,5 1,46A ,05 1, P C(MAX (13, ,46A 10,5W O transistor escolhido atenderá as necessidades do projeto quanto a dissipação de potência, por estar abaixo da potência máxima especificada pelo fabricante. Torna-se necessário entretanto o uso de um dissipador adequado para evitar sobreaquecimento do transistor. Escolha do diodo zener: evando-se em conta que BE e que BE 0,7, se adotarmos um diodo zener com tensão nominal de 6, então na carga teremos 5,3. O ideal então é adotar um diodo zener com 6,7, porém este valor não é comercial. O valor comercial mais próximo encontrado é o BYXC68, que tem uma tensão nominal de 6,8 e P (MAX igual a 500mW com (MN 8mA. 0,5W (MAX 73,53mA 6,8 Teremos então na carga 6,1 valor este, perfeitamente aceitável. 1 C(MAX é a máxima corrente que o coletor pode suportar P C(MAX é a máxima potência de dissipação do coletor Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 3

4 erificando se o diodo zener escolhido pode ser utilizado: N(MAX (MAX.( (MN + B(MAX N(MN B(MAX C(MAX (MN 1,46A 36,5mA 40 13, - 6,8 10,8-6,8 (MAX.( 8mA + 36,5mA (MAX 6, ,5mA 71,mA Como (MAX teórico 73,53mA e (MAX 71,mA o diodo zener escolhido pode ser utilizado. Cálculo de : Para a máxima de tensão de entrada: N(MAX 13, N(MAX.( B(MN + (MAX + Na pior condição: B(MN 0 N(MAX (. (MAX + N(MAX (MAX 13, - 6,8 6,4 87,04Ω 73,53mA 73,53mA Para a mínima tensão de entrada: N(MN 10,8 N(MN B(MAX + (MN 10,8-6 36,5mA + 8mA 4 44,5mA 89,89Ω Portanto deverá ser maior do que 87,04Ω e menor do que 89,89Ω. Adotaremos o valor comercial mais próximo: 91Ω Potência dissipada pelo resistor: P E P ( N(MAX - (13, - 6 (6,8 0,508W Podemos adotar um valor comercial mais próximo: 1W Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 4

5 EGUADO PAAEO: A exemplo do regulador série, o transistor atua como elemento de controle e o zener como elemento de referência. Como a carga fica em paralelo com o transistor, daí a denominação regulador paralelo, cujo circuito é mostrado abaixo. A análise do seu funcionamento segue basicamente os mesmos princípios do regulador série, no que diz respeito aos parâmetros do transistor e do diodo zener. FUNCONAMENTO: CB como é constante, CB será constante CE CB + BE, mas CB >> BE logo: CE CB, onde CE Ao variar a tensão de entrada dentro de certos limites, como é fixa, variará BE variando a corrente B e consequentemente C. Em outras palavras, variando-se a tensão de entrada ocorrerá uma atuação na corrente de base a qual controla a corrente de coletor. Neste caso, CE tende a permanecer constante desde que não assuma valores menores que (MN e maiores que (MAX. Os parâmetros para o projeto de em regulador paralelo são essencialmente: N, e (MAX. Tensão de entrada máxima: Na pior condição 0 N(MAX 1.( (MAX + C(MAX + + BE N(MAX 1 BE (MAX + C(MAX ( Tensão de entrada mínima: N(MN 1.( (MN + C(MN + (MAX + + BE N(MN 1 BE (MN + C(MN + (MAX ( Dividindo ( e (, temos: Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 5

6 (MN (MAX solando (MAX: + + C(MN C(MAX + (MAX N(MAX N(MN N(MAX BE (MAX. ((MN + C(MN + (MAX - C(MAX ( N(MN BE OBS: C(MN é a corrente de coletor para uma tensão de entrada mínima. Em muitos projetos a mesma pode ser desprezada por não ter influência significativa no resultado final. BE BE Corrente em : (MN - B(MN, onde B(MN C(MN (MN C(MN portanto: (MN - ( (MN Quando a tensão de entrada for máxima e a carga estiver aberta (pior condição, um acréscimo de corrente circulará pelo diodo zener. Como BE é praticamente constante, essa corrente circulará pela base do transistor, daí então teremos: C(MAX (MN. B(MAX C(MAX (MN. ( (MAX - ( B(MAX (MAX - Substituindo ( em (, temos: N(MAX - BE (MAX. ( (MN + C(MN + (MAX - (MN.( (MAX - N(MN BE (MAX N(MAX N(MN BE BE. ( (MN + C(MN + (MAX + (MN (MN Escolha do transistor: Deverão ser observados os parâmetros: CEO 3 > ( + BE C(MAX > (MAX P C(MAX > ( + BE. C(MAX Escolha do diodo zener: Os parâmetros são idênticos aos adotados no regulador série. POJETO Projetar um regulador paralelo, com as seguintes características: 15 C(MAX 600mA 3 CEO é a tensão entre coletor e emissor com a base aberta Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 6

7 N ± 10% Escolha do transistor: O transistor deverá ter as seguintes características: CEO > ( CE + BE c (MAX > (MAX P C(MAX > ( + BE. C(MAX Adotaremos o transistor N3534, que tem as características: CEO 35 C(MAX 3A P C(MAX 35W (mínimo 40; máximo 10 Escolha do diodo zener: O diodo zener escolhido foi o BXC1C15, que tem as características: P (MAX 1,3W (MN 0mA 15 P(MAX 1,3 86,67mA (MAX 15 erificando se o diodo zener escolhido pode ser utilizado: N(MAX BE (MAX.((MN + C(MN + (MAX + N(MN BE (MN (MN Desprezando C(MN CMN 0, então como (MN - C(MN (MN, 0mA (MAX 4, , ,7.(0mA mA + 0,7 40.(0mA ,5 (MAX. (60mA + 800mA. 0,044 (,073. 1,4.0,044 71,83mA 4,1 (MAX 71,83mA (o zener pode escolhido é compatível Calculando C(MAX : C(MAX (MN. ( (MAX - C(MAX 40. (71,83mA - 0mA C(MAX ,83mA,073A C(MAX,073A (o transistor é compatível quando a C(MAX Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 7

8 Calculando P C(MAX : P C(MAX ( + BE. C(MAX 15,07.,073 31,4W P C(MAX 31,4W O transistor escolhido atenderá as necessidades do projeto quanto a dissipação de potência, por estar abaixo da potência máxima especificada pelo fabricante. Torna-se necessário entretanto o uso de um dissipador adequado para evitar sobreaquecimento do transistor. Calculando :. BE BE 0,7 35Ω 0mA 0mA (adotar 33Ω E 0,7 33W 0,49 33W P ( ( 14,85mW Calculando 1 : 1 (MN + N(MN + C(MN BE (MAX 19, ,7 0mA + 600mA 4,1 60mA 6,613Ω OBS: C(MN 0 N(MAX 1 (MAX + C(MAX BE 4, -15-0,7 86,67mA +,073A 8,5,16 3,94Ω 1 deverá ser maior do que 3,94Ω e menor do que 6,613Ω 3,94Ω < < 6,61Ω Potência dissipada por 1 : 1 N(MAX 1 5,6W 1 adotado 5,6Ω (valor comercial BE 4, -15-0,7 5,6W (adotar 15W - valor comercial 8,5 5,6W P 1 ( ( ( ( 1,9W EGUADO COM AMPFCADO DE EO: O regulador com amplificador de erro torna o circuito mais sensível às variações da tensão de entrada, ou variações da corrente de carga, através da introdução de um transistor junto ao elemento de referência. A figura a seguir ilustra esse tipo de regulador, onde os elementos que compõem o circuito tem as seguintes funções: Diodo ener: é utilizado como elemento de referência de tensão; Transistor T 1 : é o elemento de controle, que irá controlar a tensão de saída a partir de uma tensão de correção a ele enviada através de um circuito comparador; Transistor T : é basicamente um comparador de tensão DC, isto é, compara duas tensões, e 3, sendo a tensão 3 fixa (denominada também tensão de referência, cuja Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 8

9 finalidade é controlar a tensão de polarização do circuito de controle. Qualquer diferença de tensão entre os dois resistores irá fornecer à saída do comparador uma tensão de referência que será aplicada ao circuito de controle. FUNCONAMENTO: Quando houver uma variação da tensão de entrada, a tendência é ocorrer uma variação da tensão de saída. Supondo que N aumente, a tensão nos extremos de tenderá a aumentar, aumentando a tensão e 3, mas, como a tensão no emissor de T é fixada por, então um aumento de tensão no ponto "x" provocará um aumento de BE, que aumentará B e consequentemente C. Quando C aumenta, haverá um aumento da tensão em 1 ( 1, uma vez que a tensão do emissor de T é fixada pela tensão de zener (. Como BE1 é fixa, então um aumento de 1 provocará um aumento de CE1. embrar que 1 CB1 e que CB1 + BE1 CE1. Um aumento de C provocará também um discreto aumento na corrente de base de T 1 ( B1. C 1 - B1 1 C + B1 FOMUÁO: Considerando a tensão de entrada máxima N(MAX + BE1(MN + 1.( (MAX + B1(MN mas, (MAX >> B1(MN, logo: N(MAX + BE1(MN + 1.( (MAX N(MAX (MAX Considerando a tensão de entrada mínima 1 BE1(MN ( N(MN + BE1(MAX + 1.( (MN + B1(MAX (MN + B(MAX N(MN 1 BE1(MAX Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 9

10 dividindo ( e ( (MAX mas, B(MAX (MAX C(MAX temos então: 1(MN (MAX N(MN BE1(MAX (MN + ( 1(MN 1 (MN (MAX + (MAX 1(MN N(MAX N(MN BE1(MN BE1(MAX (MAX N(MAX N(MN BE1(MN BE1(MAX. (MN + (MAX 1(MN ( Cálculo de 1 1 > N(MAX (MAX BE1(MN 1 < N(MN A potência desenvolvida em 1 no pior caso é dada por: 1 N(MAX - ( + BE1(MN [ ( ] N(MAX - ( + BE(MN P 1 1 (adotado (MN + BE1(MAX (MAX 1(MN Cálculo de Adota-se uma regra prática, onde: 0,1. C Quando C (MN < Quando C (MAX > 0,1. 0,1. BE(MAX (MN BE(MN (MAX (MAX N(MAX 1(adotado BE1(MN (MN N(MN 1(adotado BE1(MAX - B1(MAX B1(MAX (MAX 1(MN Cálculo de potência dissipada em BE(MN Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 10

11 ( P (adotado Cálculo de BE(MN 3.( ( ( adotado no cálculo anterior 3 Cálculo de potência em 3 Em 3 temos: 3 + BE(MAX P 3 ( BE(MAX 3(adotado + POJETO Projetar uma fonte regulada com amplificador de erro, usando dois transistores e um diodo zener de referência, que obedeça as características: N 5 ± 10% (MAX 800mA Tensão na carga ( 1 Teremos: N(MAX 5 +,5 7,5 N(MN 5 -,5,5 Escolha de T 1 : O transistor T 1 deverá ter as seguintes características: C(MAX > (MAX 0,8A CEO > N(MAX 7,5-1 15,5 P C(MAX > ( N(MAX. (MAX (7, mA 1,4W O transistor escolhido foi o BD33 que tem os seguintes parâmetros: CEO 45 C(MAX A P C(MAX 5W (MN 40 (MAX 50 Escolha do diodo zener: Podemos escolher uma tensão de referência. Adotamos como tensão de referência para nosso projeto aproximadamente 0,5. No entanto, outro valor pode ser escolhido. Para este projeto, optou-se pelo diodo zener BX87-C51, que tem os parâmetros: (MN 50mA Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 11

12 5,1 P (MAX 1,3W Devemos verificar se o zener escolhido é adequado ao projeto: P(MAX 1,3W (MAX 55mA 5,1 (MAX N(MAX N(MN BE1(MN BE1(MAX. (MN + (MAX 1(MN Adotando para este projeto BE1(MN 0,6 e para BE1(MAX 0,7 (MAX 7, ,6 800mA. 50mA +, , ,9 (MAX. 70mA 106,43mA 9,8 Portanto, o diodo escolhido poderá ser usado. Escolha de T : O transistor T deverá ter as seguintes características: CEO > ( + BE(MN (1 + 0,6-5,1 1,6-5,1 7,5 C(MAX > (MAX 55mA P C(MAX > [( + BE1(MN ]. (MAX P C(MAX > [(1 + 0,6-5,1]. 55mA 1,91W Para o transistor T também foram adotados os valores de 0,6 e 0,7 para BE(MN e BE(MAX respectivamente. O transistor escolhido foi o BD135 que tem as seguintes características: CEO 45 C (MAX 1A P C(MAX 8W (MN 40 (MAX 50 Cálculo de 1 : N(MAX BE1(MN 7, ,6 14,9 1 > 58,4Ω (MAX 55mA 55mA 1 < N(MN (MN + BE1(MAX (MAX 1(MN, ,7 9,8 140Ω 800mA 70mA 50mA ,4Ω < 1 < 140Ω valor adotado: 100Ω Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 1

13 Calculando a potência desenvolvida em 1 : Cálculo de : [ ( ] N(MAX - ( + BE(MN P 1 > 1 (adotado 0,1. > BE(MN (MAX (MAX (7,5-1,6 (14,9,W 100W 100W (adotar 5W (MAX 7, ,6 100Ω N(MAX 1(adotado 149mA 1-5,1-0,6 6,3 4,8Ω 14,9mA 14,9mA BE1(MN < 0,1. BE(MAX (MN (MN N(MN 1(adotado BE1(MAX - B1(MAX (MN, ,7 < mA mA - 0mA 78mA 1-5,1-0,7 6, 794,87Ω 7,8mA 7,8mA 4,8Ω < < 794,87Ω adotar 560Ω Calculando a potência desenvolvida em : Cálculo de 3 : 3 3. P ( (1-5,1-0,6 P 560W 3 onde: 3 ( + BE(MN Calculando a potência desenvolvida em 3 : (adotado BE(MN ( 6,3 560W 70,88mW 5,7.(560Ω ,67Ω adotar 470Ω 1-5,7 6,3 P 3 ( BE(MAX 3(adotado + Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 13

14 (5,1 + 0,7 P 3 470W CONFGUAÇÃO DANGTON: (5,8 470W 71,57mW A configuração Darlington consiste na ligação entre dois transistores na configuração seguidor de emissor, ligados em cascata, conforme ilustra a figura ao lado, proporcionando em relação a um único transistor um ganho de corrente bastante elevado. O ganho total de tensão é aproximadamente igual a 1. Se 1 100, teremos: C1 E1 e C E O ganho total ( T será dado por: Assim, C T. B1 A tensão entre base e emissor é dada por: BE BE1 + BE Por se tratar da configuração emissor comum, assume valor bastante elevado de impedância de entrada e valor bastante baixo de impedância de saída, em relação a um transistor comum. A configuração Darlington normalmente é encontrada em um único invólucro, como por exemplo os transistores BD6 e BD63, com polaridades pnp e npn respectivamente. POJETO DE UM EGUADO SÉE COM TANSSTO DANGTON eprojetar o regulador série da página 1, utilizando transistor Darlington; proceder a uma análise do projeto comparando-o ao projeto anterior e apresentar conclusões. Características do regulador: Tensão de saída ( : 6 Corrente de saída máxima ( (MAX : 1,5A Tensão de entrada ( N : 1 ± 10% Para este projeto foi escolhido o transistor BD63, cujas características são: CBO 80 Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 14

15 C(MAX 4A P C(MAX 36W (MN 500 (MAX Neste caso, BE é maior. amos considerar para este projeto, BE 1,4 Desta forma, o diodo zener deverá ter uma tensão: 6 + 1,4 7,4. O valor comercial mais próximo é de 7,5. O diodo zener escolhido foi obx75c75, cujas características são: 7,5 P (MAX 400mW (MN 10mA (MAX 0,4W 53,33mA 7,5 erificando a escolha do transistor: P C(MAX ( N(MAX. C(MAX C(MAX E(MAX - B(MAX E(MAX (MAX C(MAX (MAX - B(MAX B(MAX C(MAX (MN logo: C(MAX (MAX - C(MAX (MN C(MAX (MAX 1+ 1 (MN 1,5 1,5 1,5 1,497A ,00 1, P C(MAX (13, ,497A 10,78W O transistor escolhido poderá ser utilizado, no entanto, é aconselhável a utilização de um dissipador de calor para evitar o sobreaquecimento do transistor. erificando a escolha do zener: N(MAX (MAX.( (MN + B(MAX N(MN B(MAX C(MAX (MN 1,497A,994mA , - 7,5 10,8-7,5 (MAX.( 10mA +,994mA Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 15

16 5,7 (MAX.1,994mA,44mA 3,3 Como P (MAX teórico 53,33mA e (MAX,44mA o diodo zener escolhido pode ser utilizado. Cálculo de : Para a máxima de tensão de entrada: N(MAX 13, N(MAX.( B(MN + (MAX + Na pior condição: B(MN 0 N(MAX (. (MAX + N(MAX (MAX 13, - 7,5 5,7 106,88Ω 53,33mA 53,33mA Para a mínima tensão de entrada: N(MN 10,8 N(MN B(MAX + (MN 10,8-7,5,994mA + 10mA 3,3 1,994mA 53,96Ω Portanto deverá ser maior do que 106,88Ω e menor do que 53,96Ω. Adotaremos o valor comercial mais próximo a partir de uma média aritmética dos dois valores, que neste caso é 180Ω. Potência dissipada pelo resistor: P E P ( N(MAX - (13, - 7,5 (5,7 180,5mW Podemos adotar um valor comercial mais próximo: 50mW (1/4W. COMPAAÇÕES: Parâmetros Projeto com transistor comum Projeto com transistor Darlington 1 91Ω 180Ω P 1 508mW 180,5mW C(MAX 1,46A 1,497A P C(MAX 10,5W 10,78W (MAX teórico 73,53mA 53,33mA (MAX prático 71,mA,44mA 6,8 7,5 B(MAX 36,5mA,994mA Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 16

17 Dos parâmetros acima apresentados, a conclusão mais importante é que com o transistor Darlington controla-se uma corrente de carga com uma corrente de base bem menor. sto se explica pelo fato de que o ganho de corrente no transistor Darlington é bem maior. BBOGAFA: Malvino, Albert Paul - EETÔNCA - vols. 1 e - Ed. McGraw-Hill SP Boylestad, obert - Nashelsky, ouis - DSPOSTOS EETÔNCOS E TEOA DE CCUTOS - Ed. Prentice/Hall Brasil - J Schilling, Donald. - Belove, Charles - EECTONC CCUTS - McGraw-Hill nternational Editions - Singapore Horenstein, Mark N. - MCOEETÔNCA CCUTOS E DSPOSTOS - Ed. Prentice/Hall - J Grob, Bernard - BASC EECTONCS - McGraw-Hill Kogakusha - Tokyo brape - MANUA DE TANSSTOES - DADOS PAA POJETOS Eletrônica Analógica eguladores de tensão Prof. Edgar uim Página 17