REGULADORES de TENSÃO

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1 REGULADOR SÉRE: REGULADORES de TENSÃO 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 ( L ), então: L BE Como >> BE podemos aproximar: L Sendo constante, a tensão no ponto "x" será constante Caso N aumente podemos analisar o que acontece aplicando LKT: N R +, mas R 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 L constante. L N CE Então: se N aumenta CE aumenta L não se altera Caso N diminua podemos analisar o que acontece aplicando LKT, obedecendo os mesmos princípios adotados anteriormente. Neste caso CB diminui. Com a diminuição de N CE diminui L não se altera LMTAÇÕES: alores mínimos e máximos de N Como N R + e R R. R mas R + B então: N R( + B ) + Prof. Corradi 1

2 Para N mínima temos: N(MN) R( (MN) + B(MAX) ) Portanto, abaixo do valor mínimo de entrada o diodo zener perderá suas características de estabilização. Para N máxima temos: N(MAX) R( (MAX) + B(MN) ) Acima do valor máximo de entrada o diodo zener perderá também suas características de estabilização e será danificado. CONDÇÕES PARA UM PROJETO: 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) ).R + ( ) Na pior condição R L (carga aberta), logo B(MN) 0 N(MAX) R.( (MAX) ) + P(MAX) onde: (MAX) Tensão de entrada mínima: N(MN) ( B(MAX) + (MN) ).R + ( ) De ( ) tiramos: (MAX) N(MAX) R ( ) De ( ) tiramos: (MN) + B(MAX) Dividindo ( ) e ( ) temos: N(MN) R ( ) (MN) (MAX) + B(MAX) N(MAX) N(MN) PROJETO Projetar uma fonte de alimentação estabilizada com diodo zener e transistor com as seguintes características: Tensão de saída ( L ): 6 Corrente de saída máxima ( ): 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, C(MAX) 1 > no caso 1,5A P C(MAX) > ( N(MAX) L ). C(MAX) 1 C(MAX) é a máxima corrente que o coletor pode suportar Prof. Corradi

3 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) L ). C(MAX) C(MAX) E(MAX) - B(MAX) E(MAX) C(MAX) - B(MAX) B(MAX) C(MAX) (MN) logo: C(MAX) - C(MAX) (MN) C(MAX) 1+ 1 (MN) 1,5 1,5 1,5 1,46A ,05 1, P C(MAX) (13, - 6). 1,46A 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: Levando-se em conta que L 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. erificando se o diodo zener escolhido pode ser utilizado: N(MAX) (MAX). ( (MN) + B(MAX) ) N(MN) P C(MAX) é a máxima potência de dissipação do coletor Prof. Corradi 3

4 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 R: Para a máxima de tensão de entrada: N(MAX) 13, N(MAX) R.( B(MN) + (MAX) ) + Na pior condição: R L B(MN) 0 N(MAX) (R. (MAX) ) + R N(MAX) (MAX) 13, - 6,8 6,4 87,04Ω 73,53mA 73,53mA Para a mínima tensão de entrada: N(MN) 10,8 R N(MN) B(MAX) + (MN) 10,8-6 36,5mA + 8mA 4 44,5mA 89,89Ω Portanto R 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 R E P ( N(MAX) R - ) (13, - 6) (6,8) 0,508W Podemos adotar um valor comercial mais próximo: 1W REGULADOR PARALELO: A exemplo do regulador série, o transistor atua como elemento de controle e o zener como elemento de referência. Prof. Corradi 4

5 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 em certos limites, como é fixa, variará BE variando a corrente B e conseqüentemente 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, L e. Tensão de entrada máxima: Na pior condição R L L 0 N(MAX) R 1.( + C(MAX) ) + + BE N(MAX) R1 BE (MAX) + C(MAX) ( ) Tensão de entrada mínima: N(MN) R 1.( (MN) + C(MN) + ) + + BE N(MN) R1 Dividindo ( ) e ( ), temos: (MN) + solando (MAX): (MAX) + C(MN) BE (MN) + C(MN) + ( ) C(MAX) + N(MAX) N(MN) BE BE Prof. Corradi 5

6 N(MAX) BE (MAX).((MN + C(MN) + ) - 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. Corrente em R : R (MN) - B(MN), onde B(MN) C(MN) (MN) C(MN) portanto: R (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) - R ( ) B(MAX) (MAX) - R Substituindo ( ) em ( ), temos: N(MAX) - BE (MAX). ( (MN) + C(MN) + ) - (MN).( (MAX) - R N(MN) BE (MAX) N(MAX) N(MN) BE BE.( (MN) + C(MN) + ) + (MN). R (MN) Escolha do transistor: Deverão ser observados os parâmetros: CEO 3 > ( + BE ) C(MAX) > P C(MAX) > ( + BE ). C(MAX) Escolha do diodo zener: Os parâmetros são idênticos aos adotados no regulador série. PROJETO Projetar um regulador paralelo, com as seguintes características: L 15 C(MAX) 600mA N ± 10% Escolha do transistor: O transistor deverá ter as seguintes características: CEO > ( CE + BE ) c (MAX) > 3 CEO é a tensão entre coletor e emissor com a base aberta Prof. Corradi 6

7 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) + ) + N(MN) BE (MN). R. (MN) Desprezando C(MN) CMN) 0, então como R (MN) - C(MN) (MN), R 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) - R ) C(MAX) 40. (71,83mA - 0mA) C(MAX) ,83mA,073A C(MAX),073A (o transistor é compatível quando a C(MAX) ) 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. Prof. Corradi 7

8 Calculando R : R R. R R BE R BE 0,7 35Ω 0mA 0mA (adotar 33Ω) R E R 0,7 33Ω 0,49 33Ω P R ( ) ( ) 14,85mW Calculando R 1 : R 1 (MN) + N(MN) + C(MN) BE 19, ,7 0mA + 600mA 4,1 60mA 6,613Ω OBS: C(MN) 0 N(MAX) R 1 (MAX) + C(MAX) BE 4, -15-0,7 86,67mA +,073A 8,5,16 3,94Ω R 1 deverá ser maior do que 3,94Ω e menor do que 6,613Ω 3,94Ω < R < 6,61Ω Potência dissipada por R 1 : R1 N(MAX) R1 5,6Ω R 1 adotado 5,6Ω (valor comercial) BE 4, -15-0,7 5,6Ω (adotar 15W - valor comercial) 8,5 5,6Ω P R1 ( ) ( ) ( ) ( ) 1,9W REGULADOR COM AMPLFCADOR DE ERRO: 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, faz a comparação de duas tensões, R e R3, sendo a tensão R3 fixa (denominada também tensão de referência), cuja 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. Prof. Corradi 8

9 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 R L tenderá a aumentar, aumentando a tensão R e R3, 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 conseqüentemente C. Quando C aumenta, haverá um aumento da tensão em R 1 ( R1 ), uma vez que a tensão do emissor de T é fixada pela tensão de zener ( ). Como BE1 é fixa, então um aumento de R1 provocará um aumento de CE1. Lembrar que R1 CB1 e que CB1 + BE1 CE1. Um aumento de C provocará também um discreto aumento na corrente de base de T 1 ( B1 ). C R1 - B1 R1 C + B1 FORMULÁRO: Considerando a tensão de entrada máxima N(MAX) L + BE1(MN) + R 1.( (MAX) + B1(MN) ) mas, (MAX) >> B1(MN), logo: N(MAX) L + BE1(MN) + R 1.( (MAX) ) N(MAX) (MAX) R Considerando a tensão de entrada mínima L 1 BE1(MN) ( ) N(MN) L + BE1(MAX) + R 1.( (MN) + B1(MAX) ) (MN) + B(MAX) N(MN) L R1 BE1(MAX) mas, B(MAX) C(MAX) temos então: 1(MN) N(MN) L BE1(MAX) (MN) + ( ) 1(MN) R1 Prof. Corradi 9

10 dividindo ( ) e ( ) (MN) (MAX) + 1(MN) N(MAX) N(MN) L L BE1(MN) BE1(MAX) Cálculo de R 1 (MAX) N(MAX) N(MN) L L BE1(MN) BE1(MAX). (MN) + 1(MN) ( ) R 1 > N(MAX) L (MAX) BE1(MN) R 1 < N(MN) A potência desenvolvida em R 1 no pior caso é dada por: R1 N(MAX) - ( L + BE1(MN) ) (MN) L + BE1(MAX) 1(MN) P R1 [(N(MAX) - (L + BE(MN) )] R 1 (adotado) Cálculo de R Adota-se uma regra prática, onde: R 0,1. C Quando C (MN) R < Quando C (MAX) R > L L 0,1. 0,1. BE(MAX) (MN) BE(MN) (MAX) (MAX) N(MAX) L R1(adotado) BE1(MN) (MN) N(MN) L R1(adotado) BE1(MAX) - B1(MAX) B1(MAX) 1(MN) Cálculo de potência dissipada em R R L BE(MN) (L BE(MN) ) P R R (adotado) Cálculo de R 3 R3 R3 L. R3.(R 3 + R ) L.R 3 R3 + R Prof. Corradi 10

11 R3.R + R3.R 3 L.R 3 R3.R L.R 3 R3.R 3 R3.R R 3.( L R3) R3. R R 3 (R adotado no cálculo anterior) L R3 Cálculo de potência em R 3 Em R 3 temos: R3 + BE(MAX) P R3 ( BE(MAX) ) R3(adotado) + PROJETO Projetar uma fonte regulada com amplificador de erro, usando dois transistores e um diodo zener de referência, que obedeça as características: N 5 ± 10% 800mA Tensão na carga ( L ) 1 eremos: (M 5 +,5 7,5 N(MN) 5 -,5,5 T N AX) Escolha de T 1 : O transistor T 1 deverá ter as seguintes características: C(MAX) > 0,8A CEO > N(MAX) L 7,5-1 15,5 P > ( ). (7,5-1).800mA 1,4W C(MAX) N(MAX) L 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 L. No entanto, outro valor pode ser escolhido. Para este projeto, optou-se pelo diodo zener BX87-C51, que tem os parâmetros: (MN) 50mA 5,1 P 1,3W (MAX) Devemos verificar se o zener escolhido é adequado ao projeto: P(MAX) 1,3W (MAX) 55mA 5,1 Prof. Corradi 11

12 (MAX) N(MAX) N(MN) L L BE1(MN) BE1(MAX). (MN) + 1(MN) Adotando para este projeto BE1(MN) 0,6 e para BE1(MAX ) 0,7 (MAX 7, ,6 800mA ). 50mA +, ,7 40 (MAX) 14,9. 70mA 106,43mA 9,8 Portanto, o diodo escolhido poderá ser usado. Escolha de T : O transistor T deverá ter as seguintes características: CEO > ( L + BE(MN) ) (1 + 0,6) - 5,1 1,6-5, 1 7,5 C(MAX) > (M A X) 55mA P C(MAX) > [( L + BE1(MN) ) ]. (MAX) P C(M AX) > [(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 R 1 : N(MAX) L BE1(MN) 7, ,6 14,9 R 1 > 58,4Ω (MAX) 55mA 55mA R 1 < N(MN) (MN) L + BE1( MAX) 1(MN), ,7 9,8 140Ω 800mA 70mA 50mA ,4Ω < R 1 < 140Ω valor adotado: 100Ω Calculando a potência desenvolvida em R 1 : [ )] (N(MAX) - (L + BE(MN) (7,5-1,6) (14,9) P R1,W R1 (adotado) 100Ω 100Ω (adotar 5W) Cálculo de R : L BE(MN) N(MAX) L BE1(MN) R > (MAX) 0,1.(MAX) R1(adotado) Prof. Corradi 1

13 (M AX) 7, ,6 100Ω 149mA R > 1-5,1-0,6 6,3 4,8Ω 14,9mA 14,9mA R < L 0,1. BE(MAX) (MN) (MN) N(MN) L R1(adotado) BE1(MAX) - B1(MAX) (MN), , mA mA - 0mA 78mA R < 1-5,1-0,7 7,8mA 6, 794,87Ω 7,8mA 4,8Ω < < 794,87Ω adotar 560Ω Calculando a potência desenvolvida em R : (L P R R (adotado) Cálculo de R 3 : R 3 R3. R L R (1-5,1-0,6) P R 560Ω R3 onde: R3 ( + BE(MN) ) Calculando a potência desenvolvida em R 3 : BE(MN) ( 6,3) 560Ω ) 70,88mW 5,7. (560Ω) ,67Ω adotar 470Ω 1-5,7 6,3 P R3 ( BE(MAX) ) R3(adotado) + P R3 (5,1 + 0,7) 470Ω (5,8) 71,57mW 470Ω CONFGURAÇÃO DARLNGTON: 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. Prof. Corradi 13

14 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. PROJETO DE UM REGULADOR SÉRE COM TRANSSTOR DARLNGTON Projetar novamente 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 ( L ): 6 Corrente de saída máxima ( ): 1,5A Tensão de entrada ( N ): 1 ± 10% Para este projeto foi escolhido o transistor BD63, cujas características são: CBO 80 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. Prof. Corradi 14

15 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) L ). C(MAX) C(MAX) E(MAX) - B(MAX) E(MAX) C(MAX) - B(MAX) B(MAX) C(MAX) (MN) logo: C(MAX) - C(MAX) (MN) C(MAX) 1+ 1 (MN) 1,5 1,5 1,5 1,497A ,00 1, P C(MAX) (13, - 6). 1,497A 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) (MAX) 5,7.1,994mA,44mA 3,3 Como P (MAX) teórico 53,33mA e (MAX),44mA o diodo zener escolhido pode ser utilizado. Prof. Corradi 15

16 Cálculo de R: Para a máxima de tensão de entrada: N(MAX) 13, N(MAX) R.( B(MN) + (MAX) ) + Na pior condição: R L B(MN) 0 N(MAX) (R. (MAX) ) + R N(MAX) (MAX) 13, - 7,5 5,7 106,88Ω 53,33mA 53,33mA Para a mínima tensão de entrada: N(MN) 10,8 R N(MN) B(MAX) + (MN) 10,8-7,5,994mA + 10mA 3,3 1,994mA 53,96Ω Portanto R 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 R E P ( N(MAX) R - ) (13, - 7,5) (5,7) 180,5mW Podemos adotar um valor comercial mais próximo: 50mW (1/4W). COMPARAÇÕES: Parâmetros Projeto com transistor comum Projeto com transistor Darlington R 1 91Ω 180Ω P R1 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 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. Prof. Corradi 16

17 BBLOGRAFA: Malvino, Albert Paul - ELETRÔNCA - vols. 1 e - Ed. McGraw-Hill SP Boylestad, Robert - Nashelsky, Louis - DSPOSTOS ELETRÔNCOS E TEORA DE CRCUTOS - Ed. Prentice/Hall Brasil - RJ Schilling, Donald L. - Belove, Charles - ELECTRONC CRCUTS - McGraw-Hill nternational Editions - Singapore Horenstein, Mark N. - MCROELETRÔNCA CRCUTOS E DSPOSTOS - Ed. Prentice/Hall - RJ Grob, Bernard - BASC ELECTRONCS - McGraw-Hill Kogakusha - Tokyo brape - MANUAL DE TRANSSTORES - DADOS PARA PROJETOS Prof. Corradi 17