Transistor Bipolar de Junção TBJ Cap. 4 Sedra/Smith

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1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Cap. 4 Sedra/Smith Fontes de Alimentação eguladas Notas de Aula SEL 313 Circuitos Eletrônicos 1 Parte 10 1 o Sem/2016 Prof. Manoel

2 Características de Fonte de Tensão Do Cap. Diodo-A4 tem-se que as fontes de Alimentação devem fornecer Tensão Constante sob: ariação da tensão de entrada (linha CA); ariação da Corrente de Carga I 0 ; ariação de temperatura. De forma passiva pode-se atingir os itens acima com os reguladores tipo Zener quando as variações de carga e linha são pequenas. Para se atingir tais compromissos de forma ativa é necessário uma estrutura de controle com recurso de realimentação, comparação (geração de erro) e correção do erro relativo. Com este recurso é possível a implementação de Fontes eguladas e Ajustáveis entre uma faixa de tensões ou de correntes.

3 Características de Fonte de Tensão O princípio básico das fontes reguladas é um procedimento baseado em: - medição e realimentação da grandeza de saída (tensão ou corrente), - comparação desta medida com uma referência e, - atuação no elemento de controle ou de correção. Portanto são necessários elementos de medição, geração de referência e atuadores que atuam de forma instantânea. O elemento principal de atuação será sempre um transistor de potência (com grande capacidade de corrente e atuando e larga faixa de tensões). O elemento de geração de referência costuma ser uma rede de diodos comuns ou do tipo Zener.

4 Mecanismo de Atuação Série Na fonte tipo série, o elemento de controle se encontra em série com a saída (carga) controlando o nível de corrente para manter a tensão de saída constante. Neste caso toda flutuação e/ou excesso de tensão estará sob o elemento de atuação.

5 Mecanismo de Atuação Paralelo Na fonte tipo paralelo o elemento de controle se encontra em paralelo com a saída (carga) desviando o nível de corrente para manter a tensão de saída constante. Neste caso toda flutuação e/ou excesso de corrente estará sob o elemento de atuação.

6 egulador Série O circuito a seguir representa o egulador Série mais simples. O Transistor Q 1 é o elemento atuador (linear em eg. Ativa) que regula a corrente para a carga mantendo 0 constante. O diodo Zener polarizado por estabelece um valor de referência para o egulador.

7 A saída aqui será : egulador Série 0 Z BE Se a saída se alterar, supondo Z constante, BE se altera proporcionalmente diminuído ou aumentando a corrente de carga para re-estabelecer 0. Por outro lado se i se altera a tensão de referência Z permanece quase inalterada mantendo corrente I 0, e portanto, a tensão de saída 0 constante. Neste caso os elementos do circuito devem dissipar as potências : P P P Z Q1 I Z i 2 Z I Z ( ) I ( 0 0 i 0 ) 0 L no resistor ; no diodo Zener; no transistor Q 1

8 egulador Série O circuito do regulador série configura um circuito Seguidor de Emissor ou tipo Coletor-Comum. Pode-se claramente redesenhar o circuito como a seguir. i ±Δ Q Para um determinado 0 desejado na saída há que se alocar um diodo Zener com tensão equivalente a ( 0 + BE ) volts ou fazer uma associação de diodos comuns e Zeners. - Para aplicações com cargas variáveis deve-se prever um transistor para toda faixa de tensões CE e das correntes de carga. - Atensão CE será a diferença entre i e 0 ea potência do transistor deverá ser pelo menos ( CE x I C ) ( CE x I 0 ).

9 egulador Série Simulação (Feg1.asc) Para o primeiro caso, considere a fonte regulada a seguir que deve manter a saída em um valor nominal de 12. EF = Zener(12) + Diodo(0.7). Caso 1 : i =20±2 L =10 med = 11,772 ± 0,58% Caso 2 : i =20±2 L =5k med = 12,018 ± 0,37% Caso 1 Caso 2

10 egulador Série - Simulação Comparando-se o desempenho do regulador ativo série com uma opção de regulador passivo (com somente um diodo Zener ) o resultado seria o seguinte. i = 20±2 -- egulador -- Zener Caso1 L =10 Caso2 L =5k

11 egulador Série - Simulação Comparando-se o desempenho do regulador ativo série com uma opção de regu-lador passivo (diodo Zener ) o resultado seria o seguinte e i = 30±2 i = 30±2 -- egulador -- Zener Caso1 L =10 Caso2 L =5k

12 egulador Série 2 Um circuito melhorado da topologia de regulador série é visto a seguir. Otransistor Q 1 deve ser de potência pra suprir a carga com I 0,a corrente do divisor resistivo e do Zener (I B1 0). O transistor Q 2 amplifica o sinal de erro entre a referência ( BE2 + Z ) obtida no divisor 1-2 ou 2. e a medição O diodo Zener deve ser polarizado via 1-3 para fornecer Z constante.

13 egulador Série 2 Se 0 ou I se altera, esta variação aparece em 2 que em função de Z constante atuará em BE2 para re-ajustar a corrente de Q 1. Pode se mostrar que: Portanto 4 deve suprir a corrente de Base I B1 além de conduzir o excesso de corrente devido a variações na Fonte via Q 2. Este desvio ocorre devido a variações em 2 que atua em BE2 eportantoemi C2.Paraumaboa faixa de operação I C2 deve ser em torno de 5xI B1, assim 4 pode ser obtido como: Z BE Z BE ainda, ou 1 1_ 2 0_ 1 0 _ max Z MAX BE i B B C I I I I I I I

14 egulador Série 2 A escolha de 1-2 deve ser tal que consuma (desvie) pouca corrente de Q 1, porém 1-3 deve garantir a corrente Zener apropriada. O Zener agora deve ser escolhido em função da tensão de saída desejada e em função do divisor 1-2. Trocando-se 1-2 regulada ajustável. por um potenciômetro pode-se obter uma fonte A seguir é ilustrada a operação desta topologia nas mesmas condições do caso anterior, ou seja, Fonte de 20 ±2 e carga entre 5k e10. Para uma saída de 12 regulados escolhido agora é de 6,2. devido ao divisor resistivo, o Zener

15 egulador Série 2 Simulação (Feg2.asc) Caso 1 : i =20±2 L =10 med = 12,147 ± 0,617% Caso 2 : i =20±2 L =5k med = 11,997 ± 0,323%

16 egulador Série com Limitador de Corrente Na proposta a seguir o transistor Q 2 atua de modo a desviar corrente da base de Q 1. O amplificador de erro aqui é indicado por um Amp-Op, mas pode ser ainda implementado pelo esquema a transistor como feito anteriormente e o gerador de referência se encontra na entrada. Em operação normal Q 2 está em corte. Se I L crescer demasiado, a tensão em SC = BE2 cresce e coloca Q 2 em condução.

17 egulador Série com edução de Corrente No caso anterior o transistor Q1 pode se sobre-aquecer na condição limite de curto-circuito (I MAX x I ) além de talvez danificar a ponte retificadora e trafo. No circuito abaixo, assim que Q 2 inicia sua condução (com BE2 entre 0,6 e 0,7) ocorre uma diminuição de I B1 até praticamente colocar Q 1 em corte e conduzindo apenas uma corrente I SL muito menor que a de curtocircuito. Com isto a potência em curto-circuito em Q 1 será reduzida.

18 egulador Paralelo No circuito a seguir o transistor Q 1 iráatuardeformaadesviara corrente excedente, seja por variação da fonte ou por variação de saída, mantendo 0 ou no caso, L constante. Aqui vale então: L 0 Z BE1 Oresistor S conduz a corrente de carga I 0 mais a corrente I B1 =I Z.

19 egulador Paralelo No circuito apresentado, se o Zener usado exigir elevada corrente para prover uma tensão Z constante, então o transistor necessário deverá trabalhar com esta mesma corrente de base. Portanto exige-se aqui normalmente um transistor de elevada potência ou um Zener de baixa potência. Outro fator que pode demandar um transistor de potência é o fato do CE1 ser igual a 0 com Q 1 conduzindo o excedente de corrente. Comparado como regulador Série, esta topologia só funcionaria adequada-mente para tensões da fonte superior a 30 para 0 =12, pois só desta forma se conseguiria uma corrente I Z =I B1 suficiente para que Q 1 entrar em condução. Entretanto a configuração pode ser usada para prover 0 menor que 9 de forma satisfatória.

20 egulador Paralelo - Simulação (Feg3.asc) Caso 1 : i =30±2 L = 100 med = 12,557 ± 1,06% Caso 2 : i =30±2 L =5k med = 12,888 ± 0,14%

21 egulador Paralelo 2 Na versão melhorada abaixo, o Zener é polarizado via 1 com a tensão de saída 0 enestecasoatensãosob 1 determina o desvio de excesso de corrente para manter a carga com tensão constante. A corrente do Zener deve estabelecer aproximadamente 1,4 sobre 1. A tensão de saída será neste caso: L 0 Z BE1 BE 2 Z 1

22 egulador Paralelo 2 No circuito desta versão e tal como a versão anterior, se a carga variar de modo a exigir corrente muito elevada o diodo Zener deixa a região de ruptura reversa e o regulador deixa de atuar. Do exposto anteriormente para se obter 0 =12 ozenerdeveriaexibir tensão nominal de 10,6 o que não é um valor comercial. Aqui também associações de diodos Zener com retificadores pode ser empregada para a devida tensão de referência. Para este circuito foi simulado a mesma situação com i =30 ±2 e carga variando entre 100 e5k

23 egulador Paralelo 2 Simulação (Feg4.asc) Caso 1 : i =30±2 L = 100 med = 11,578 ± 0,23% Caso 2 : i =30±2 L =5k med = 11,661 ± 0,055%

24 Outras topologias de eguladores Na literatura especializada e também nas aplicações práticas surgem muitas outras formas de se obter os circuitos reguladores Série ou Paralelo. No entanto todas elas são extensões ou melhoramentos destas formas básicas. Em muitos casos o transistor amplificador de erro é substituído por um Amp.Op integrado. Outras classes de fontes (não-lineares) são as Fontes Chaveadas integradas ou construídas com elementos discretos, mas estão fora do escopo deste curso.

25 Bibliografia Conteúdo : Boylestad : Pgs Cap. 18 Milman : Pgs Cap.18 (ol. 18) Malvino : Pgs Cap. 24 (ol. 2)