Fontes de alimentação (FALs): introdução

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1 Fontes de alimentação (FALs): introdução Uma fonte de tensão U 0 genérica pode ser reduzida (ou simplificada) aos blocos da figura ao lado representada: - fonte de tensão U IN propriamente dita; - respetiva resistência interna. Assim, - a tensão U OUT aos seus terminais varia entre U OUT Max e U OUT Min com U In e também com a intensidade I O solicitada pela carga devido à R I ; ou seja não é uma tensão estabilizada ; - há dissipação ou perda - de potência na resistência interna R i, o que provoca aquecimento interno. Ou seja: UO com estabilização U O = U IN - U em que U é a queda de tensão na resistência interna R I ( U = I O *R I ); UO sem estabilização P TOTAL = P RI + P RL I Define-se ainda regulação de carga / load regulation como (U O U IMax ) / U IMax (em %) que nos indica a variação da tensão com a corrente. As diversas soluções tecnológicas procuram dentro dos limites e caraterísticas pretendidas para cada fonte reduzir ao máximo aqueles inconvenientes: reduzir as perdas internas (e assim aumentar a eficiência) e estabilizar a tensão de saída UO. FALs lineares estabilizadas (com regulação em série) Esquema de uma FAL estabilizada com regulador série (12VDC, 800mA) 12V AC URef T 1B4B42 4 D 2 3 UO 1 Com este circuito, a U 0 deixa de depender de U IN ou R I pois o bloco U Ref RL impõe um valor constante a U O UO = URef O,6V T é o elemento regulador série de U O. 1mF 180Ω U REF D1 BZV85-3 PRINCIPAIS TIPOS DE FAL S BD237 C2 100uF Regulador T I 0 U U In P RI R I U 0 A tensão de referência U REF é obtida mediante o díodo zener D 1 que é polarizado por R 1. Como o díodo tem U Z = 13V, a tensão U O é de cerca de 12,3V. U O = U Z 0,7V = 12,3V P D = U CE I O I 0 PRL FAL S LINEARES (a estabilização é obtida mediante o controlo sobre U IN ou/e R I ) FAL S COMUTADAS (a estabilização é obtida mediante o controlo sobre a frequência de comutação) + RL URef R2 U 0 Neste circuito, uma amostra de U 0 ( obtida na divisão potenciométrica de R 1 e R 2 ), é comparada com U Ref e o resultado regula o elemento série T.

2 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (2) FAL estabilizada com regulador série com 2 transistores (12VDC, 800mA) 18V AC Como e R4 constituem uma divisão potenciométrica podemos calcular UO = ( + R4)/ (UZ + UBE) = 12,4V 18V AC 4 4 D B4B42 D 1 1B4B42 1mF 1mF R5 R5 2kΩ 2kΩ BD237 BD237 Q2 BC237BP D1 BZV60-C5V6 Q2 BC237BP D1 BZV60-C5V6 3kΩ R4 3kΩ 5% R6 15kΩ Key=B 95% R4 2kΩ 5% Se a tensão UOUT aumentar, a tensão da base de Q2 também aumentará e a respetiva corrente IC através de, provocando uma redução da tensão do emissor de Q2. Analogamente, se UO diminuir, também diminuirá a tensão da base de Q2, originando maior tensão na base de e no emissor do mesmo. Para se obter uma tensão regulável, a série +R4 do circuito anterior deve ser substituida por uma outra série com um potenciómetro e duas resistências de segurança, ou seja: Estabilização com regulador em paralelo A estabilização das FALs estudadas anteriormente é obtida com o elemento regulador o transístor NPN ligado em série com a carga RL. Embora com desvantagens por causa da dissipação de potência em Rs também se pode usar o regulador em paralelo (Pe. LM4030, ) O díodo zener é muito usado na estabilização em paralelo U Z I ZMin Quando polarizado I ZMáx (P ZMáx ) inversamente (I ZMin 0mA) a tensão U Z mantem-se constante independentemente da I Z I U U IN U z I S Rs I Z Dz U I O Max U O Min UO t Como I ZMin 0 I S I O e U Z = U O, temos que R S Max = (U IN Min U Z )/ I O Max Para que o díodo não se funda na U IN Max e I O Min R S Min = (U IN Max - U Z ) / I ZMax com I ZMax = P ZMax / U Z. A regulação paralelo com um transístor seria: UOUT = UZ + UBE I S U IN Rs U z DZ UB I O U O

3 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (3) Regulação em série com realimentação aumentada (através de ampop) UZ U1 Este circuito é semelhante a um já estudado (FAL estabilizada com regulação série com 2 transistores). Contudo o ampop reforça a realimentação negativa: se a tensão de saída UO diminuir aumenta a tensão na base de pelo que aumenta UO e vice versa. U OUT = (R 1 + R 2 ). U Z / R 1 P D = (U IN U O ). I C Por vezes substitui-se por um transístor Darlington, portanto com maior ganho (cerca de 1000) para a corrente de saída do ampop: perante um ligeiro aumento de corrente na sua saída, UO estabiliza Proteção contra excesso de corrente R2 RL U O 470Ω Q3 BC238BP R2 BD137 Q2 BC238BP Dz BZV60-C4V3 10kΩ Key=A 0% R4 4.7kΩ RL UO A R2 funciona como sensor da corrente de carga. A tensão UR2 = x R2, que é proporcional à corrente, é aplicada à base de Q3. Quando esta ultrapassa o valor de 0,6V, Q3 começa a conduzir reduzindo a tensão de base de, o transístor de regulação, e diminui ou anula mesmo a tensão de saída UO. 1Ω U R2 = 1Ω x 0,6A U R2 =U BE =0,6V BD137 R2 3Ω No circuito do lado (em que novamente o efeito da realimentação é reforçado por um ampop) a resistência-sensor faz Q2 conduzir quando for percorrida por uma corrente = 0,2A (UBE Q2 = 3Ω x 0,2A = 0,6V). Assim, a corrente de saída do ampop é desviada da base do transístor 820Ω Dz BZV60-C4V7 BC238BP Q2 R4 750Ω 50% Key=A R6 750Ω UO RL

4 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (4) Esquema de uma FAL estabilizada com regulador série com tensão de saída negativa em relação à massa (-12V, 1A). AC 12V AC D3 1N4007 D4 1N D1 1N4007 D2 1N mF 220Ω C2 470uF TIP42A A análise do circuito desta FAL é muito semelhante ao circuito da FAL com saída positiva anteriormente analisada: como o potencial positivo está agora ligado á massa, os componentes estão consequentemente reorientados (ponte retificadora, condensadores eletrolíticos, díodo zener, transístor (agora PNP), ). Com um díodo zener de 12V, a tensão U O é de cerca de 11,4V 3 0 D5 BZV60-2 R2 UO RL

5 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (5) Projeto/Blocos de uma fonte estabilizada, regulável e com proteção (230V) (AC) TRANSFOR MADOR RECTIFICAÇÂO /FILTRAGEM AMPLIFICADOR / REGULADOR 0V...U max (DC) PROTECÇÃO GERADOR TENSÃO REFERÊNCIA COMPARADOR A fonte que se segue é estabilizada entre 0...0,4A e regulável de V. Tem protecção para uma corrente de 0,5A. Amplificação Q3 Umais BD137 + V V 0 U3 12V D3 1N4001 D4 1N D1 1N4001 D2 1N kΩ R2 220Ω kΩ C3 1uF Q2 BC548B BC548B Tensão Refer Q4 15 C4 100nF D5 BZX55C3V0 R6 100Ω 7 R7 2kΩ Key=A 50% 16 Comparação Transformação, Rectificação, Filtragem C2 100nF 0 1mF BC548B Protecção R4 220Ω R5 1.8Ω R8 200Ω C5 470uF C6 100nF Umenos Transformação, Rectificação e Filtragem: é constituido pelo tranformador 220V/12V, díodos e condensadores C 1 e C 2 ; Gerador de Tensão Constante: Díodo Zener D 5, polarizado por R 3, de tal modo que mantém sempre uma tensão de referência constante mesmo que a corrente de polarização varie/diminua; Comparação/Regulação: compara uma fracção da tensão de saída através do cursor de R 7 (R variável ) com a tensão do emissor de Q 4 : se a tensão U BE de Q 4 diminui, também diminui a I C do mesmo e a que-da de tensão em, pelo que aumenta a polarização de Q 2 /Q 3... diminui a U CE de Q 3, e aumenta a U 0 ; Protecção: quando a corrente em R5 aumenta de modo a obter-se uma tensão U BE para Q 1 apreciável, este começa a conduzir e a puxar corrente do nó 13. Q 2 deixa de estar à condução... Amplificação de Potência: constituido pela ligação em Par Darlington de Q 2 e Q 3... Exercício: simular e optimizar esta FAL a partir do seu circuito em MultiSim FAL_intro.ms10

6 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (6) Reguladores lineares monolíticos Os circuitos discretos (constituídos por componentes individuais ) de FALs estudados anteriormente são na prática muitas vezes substituídos por circuitos integrados monolíticos, circuitos reguladores de tensão série pois são os mais eficientes e baratos. Os??78XX??3940??2940 IN diversos fabricantes acrescentaram ainda outras funcionalidades e também por isso são muito populares e facilitam o projeto de FALs para praticamente todas as situações possíveis. Estes CI S chamados genericamente por reguladores de tensão pois, tal como os estudados anteriormente, procuram estabilizar, e em alguns casos regular, a tensão de saída U O apresentam-se com diversos tipos de encapsulamento, a que correspondem características e aplicações diversas. OUT 79LXX IN TO-220 OUT 79XX TO-220 OUT IN 78LXX TO TO-92 OUT IN (7) Como escolher um CI regulador de tensão (Voltage Regulator) Caraterísticas U OUT, Tensão de saída I OUT MAX, Intensidade máxima de carga OUT(10) IN (11,12) PDIP14 UOUT pode ser fixa ou regulável e ainda positiva ou negativa. A série muito popular 78XX é de tensão positiva fixa; a série 79XX é negativa também fixa. A série LM117/LM317 pode por sua vez regular UOUT de 1,2V a 37V. A UT é determinada pela carga alimentada e é limitada pela intensidade máxima UT MAX caraterística de cada tipo de regulador. Na série 78XX ou 79XX (cápsula TO-220) UT MAX é de 1A a 1,5A quando o regulador é montado num dissipador de calor. Na série 78LXX é de 100mA (cápsula TO-92, designada por baixa potência, low-power IC regulators ). U INMAX, Tensão de entrada Tensão máxima que o regulador suporta à entrada sem se queimar por excesso de calor. U, Dropout Voltage ou Tensão mínima entre e UOUT que garante uma boa regulação. Nas séries Tensão de Abatimento 78XX e 79XX é de 2 3V. Quando não é possível haver aquela margem de segurança (nos circuitos alimentados por baterias ) usam-se reguladores de tensão de baixo abatimento/ low dropout regulators como os da série LM2940 que é de 0,5V a 1V com 1A em UT, o que torna este regulador excelente para algumas aplicações. U OUT, Regulação de carga Mede em percentagem a variação de UOUT em função de uma gama de UT (quanto menor, melhor é o regulador ). P.e., no LM7815, a tensão de saída (15V) varia de 12mV quando a corrente de carga varia de UT = 5mA a UT = 1,5A. U OUT, Regulação de rede Mede em percentagem a variação de UOUT em função de uma gama de (quanto menor, melhor é o regulador ). P.e., no LM7815, a tensão de saída (15V) varia de 4mV quando a tensão varia de = 17,5V a = 30V. U IN / U OUT, Rejeição de Ripple Mede, em db (80dB para o LM7805 ), a relação dos ripples de e UOUT. Proteção contra excesso de calor Um sensor térmico interno protege o CI do excesso de calor/potência dissipada Proteção contra UT elevadas Proteção contra excesso de corrente e curto-circuitos IQ, Corrente de repouso Quiescente corrent, corrente consumida mesmo quando UT = 0

7 CÁPSULA TO-220 TO-92 TO- 220 Versão Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (7) F. alimentação genérica com um regulador de 3 pinos U IIN IN REGULADOR DE TENSÃO (FIXO) OUT I 0UT IQ GND UOUT RL C2, C2: condensadores de desacoplamento das correntes de alta frequência ou transitórios recomendados pelos fabricantes (cerca de 100nF, poliester). U MAX MIN U OUT Caraterísticas mais gerais a 25ºC de alguns dos reguladores de três pinos das séries 78XX e 78LXX da Texas Instruments/National Semicondutor (µa78xx µa 78LXX ) t CI U IN MAX U OUT (Valor Típico) I OUT MAX U U OUT (Carga) U OUT (Rede) Rejeição Ripple I Q µa7805c 35V 5V >1,5A 2V 15mV 3mV 78dB 8mA µa V 10V >1,5A 2V 12mV 7mV 71dB 4,3mA µa V 15V >1,5A 2V 12mV 11mV 70dB 4,4mA µa V 40V >1,5A 2V 12mV 18mV 66dB 4,6mA µa78l02 30V 2,6V 100mA 1,7V 20mV 12mV 51dB 3,6mA µa78l06 30V 6,2V 100mA 1,7V 35mV 16mV 48dB 3,9mA µa v -8V <-1,5A 1,1V 15mV 12mV 60dB 1,5mA LM317 40V 1,25 37V >1,5A 40V 0,1%/V 0,01%/V 57dB 50µA µa723 40V 2 37V 150mA 40V -0,3mV/V 0,1V/V 74dB 2,3mA DIP 14

8 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (8) Esquema de blocos de um regulador de tensão monolítico (Fairchild Semicondutor) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão Aplicação típica Para obter uma tensão estabilizada superior a VXX Tensão de saída ajustável Aumento da Io MÁX

9 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (9) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.) Aumento da Io MÁX e protecção contra CC FAL de tensões simétricas FAL comutada Estabilização de tensão negativa com regulador positivo fixo Aplicação típica do LM (Regulação variável) Regulação variável com shutdown Com IADJ.R2 0

10 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (10) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.) Regulação com intensidade elevada FAL comutada de baixo custo

11 Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (11) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.) Circuito FAL com LM723 Consultar na Net: