DISCIPLINA CIRCUITOS ELETRÔNICOS Circuitos Eletrônicos MÓDULO TRÊS: REGULADOR DE CORRENTE Introdução: As fontes de corrente, conhecidas como geradores de corrente, ou cargas ativas, tem como princípio de funcionamento, regular a corrente (manter a corrente constante ) dentro de limites estabelecidos no projeto para a variação da tensão de entrada, para a variação da corrente de saída e outros parâmetros como temperatura de operação etc... 1. EQUAÇÃO GERAL DA REGULAÇÃO DA SAÍDA V θ = V E + V L + θ +... V E V L θ 2. DIAGRAMA DE BLOCO DE UMA FONTE DE CORRENTE. O diagrama abaixo apresenta em bloco a fonte onde: V E = Tensão de entrada da fonte (Não Regulada); V L = Tensão de saída ( Regulada ) = Corrente de Saída ( Corrente na Carga ) R L = Resistência de saída ( Carga da fonte ) + FONTE DE V E CORRENTE V L R L - 3. FATORES DE LINEARES DE ESTABILIDADE Denominando de A o fator de estabilidade da entrada de B o fator de estabilidade de saída, teremos: A = e B = V E V L A equação de geral de estabilidade da fonte de corrente fica: = A V E + B V L Pág. 1
4. CÁLCULO DOS FATORES DE ESTABILIDADES PELA CURVA CARACTERÍSTICA DA CORRENTE DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA TENSÃO DE ENTRADA E TENSÃO DE SAÍDA. a) Pela Variação da tensão de entrada ( Estabilidade de entrada ) Variando-se a tensão de entrada, mantendo R L constante e medindo a corrente de saída. + - FONTE DE V E CORRENTE V L R L 5. CURVA CARACTERÍSTICA DA ESTABILIDADE PELA ENTRADA 2 2 1 1 α A = = tg α V E2 - V E1 V L = cte V E1 (min) V E2 (max) V E 6. CÁLCULO DA PORCENTAGEM DE ESTABILIDADE PELA ENTRADA % Regulação de Entrada = A x 100 b) Pela variação da corrente de saída ( Estabilidade de saída ) Variando-se a corrente de carga através de R L e mantendo-se a tensão de entrada constante. + FONTE DE V E CORRENTE V L R L - Pág. 2
7. CURVA CARACTERÍSTICA DA ESTABILIDADE PELA SAÍDA Circuitos Eletrônicos 2 2 1 1 β B = = tg β V L2 V L1 V E =cte V L2 V L1 (max) V L 8. CÁLCULO DA PORCENTAGEM DE ESTABILIDADE PELA SAÍDA %Regulação de Saída = B x 100 9. GERADOR DE CORRENTE A DIODO ZENER E TRANSISTOR + V Z I E V EC I C V RE Q 1 V EB V BC V E R L V L I B + _ I Z I S R S V S - 10. ANÁLISE DO CIRCUITO A) TENSÔES V E = V L + V EC (1) V E = V Z + V S (2) V Z = V RE + V EB (3) V L = V S - V BC (4) Pág. 3
B) CORRENTES I C = I E (I B desprezível, pois β é grande) = (5) I S = I Z + I B (6) I E = (β + 1) I B (7) 11. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DO TRANSISTOR E DO ZENER V EC SAT = 0,3V, V EB SAT = 0,7V. BV ECO = Tensão de ruptura coletor emissor. Pc MAX = Potência Máxima do transistor = V EC. I C. β = Ganho do transistor. P Z MAX = Potência máxima no zener. V Z = Tensão Nominal do zener. = Corrente máxima do transistor. I C 12. DIMENSIONAMENTO DA FAIXA DE VALORES PARA O RESISTOR R S, = cte. Quando é constante, temos: I B = / β. V E - V Z R S MIN = e I Z MAX + I B V E - V Z R S MAX = I Z MIN + I B Adota-se um valor para: R S MIN R S R S MAX. 13. ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE CORRENTE DO CIRCUITO PARA AS SITUAÇÕES DE VARIAÇÕES NA ENTRADA E NA SAÍDA. Para cada situação deveremos analisar para os efeitos desta variação no transistor e no zener e escolher a condição que satisfaz ambas as situações. a) Mantendo-se R L = constante e variando-se V E para valores mínimo e máximo. a.1 - Para o zener V E MIN1 = R S (I Z MIN + I B ) + V Z (8) V E MAX1 = R S (I Z MAX + I B ) + V Z (9) a.2 - Para o transistor V E MIN2 = V EC MIN + V L + V RE = V CE MIN + (R E + R L ) V E MAX2 = V EC MAX + V L = BV ECO + (R E + R L ) Pág. 4
Pc MAX V E MAX3 = + (R E + R L ) a.3 - Escolha dos valores de entrada V E MIN e V E MAX Entre os valores de V E MIN escolher o Maior valor de V E MIN. Entre os valores de V E MAX escolher o Menor valor de V E MAX. c) Mantendo-se V E = constante e variando-se R L para valor mínimo e máximo. c.1 R L MIN R L MIN V E V EC MAX R E = V E V EC SAT R E c.2 R L MAX = Exercício: De acordo com o gráfico apresentado, determinar para estas condições apresentadas se os componentes estão de acordo com a faixa de operação permitida. São dados: R S = 100 Ω, V Z = 5,6V, P Z = 560mW, β = 50, V CEMAX = 80V, V BE = 0,6V, PC MAX = 4W, I CMAX = 1A, V EB = 0,6V e R E = 10Ω. 15,6 V ENT 10,6 8,6 R L 7Ω 5Ω 1 2 3 4 Pág. 5
R E V E R L R S Solução: Para a fonte de corrente, temos: I - ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA TENSÃO DO CIRCUITO. Para cada situação deveremos analisar para os efeitos desta variação no transistor e no zener e verificar se estas não provocam situações fora do limite de operação dos dispositivos. Pela relação de potência e tensão no zener, calcula-se: I ZMAX = 100mA e I ZMIN = 10mA. Do gráfico de R L, calcularemos as correntes de saída e de base. V RE 5V V RE = V Z V EB = 5,6 0,6 = 5,0V. I SAÍDA = = = 0,5A. R E 10Ω I SAÍDA 500mA Como I SAÍDA = Constante I B = = = 10mA. β 50 1) R L = 7Ω V SAÍDA = 7.0,5 = 3,5V V EC = V E V RE - V SAÍDA = 8,6 5-3,5 = 0,1V. 2) R L = 0Ω V SAÍDA = 0.0,5 = 0,0V V EC = V E V RE - V SAÍDA = 10,6 5-0 = 5,6V. 3) R L = 5Ω V SAÍDA = 5.0,5 = 2,5V V EC = V E V RE - V SAÍDA = 15,6 5-2,5 = 7,6V. Do gráfico de V E, calcularemos a corrente I S. V E - V Z 8,6 5,6 1) V E = 8,6 I S = = = 30mA. R S 100 Pág. 6
V E - V Z 10,6 5,6 2) V E = 10,6 I S = = = 50mA. R S 100 V E - V Z 15,6 5,6 3) V E = 15,6 I S = = = 100mA. R S 100 a) Para o zener. I S = I Z + I B 1) I Z = I S I B = 30mA 10mA = 20mA. 2) I Z = I S I B = 50mA 10mA = 40mA. 3) I Z = I S I B = 100mA 10mA = 90mA. Pelos itens acima o zener opera dentro das condições normais e na faixa de operação I ZMAX e I ZMIN. 1) PC MAX = V ECMAX. = 0,1. 500mA = 50mW. 2) PC MAX = V ECMAX. = 5,6. 500mA = 2,8W. 4) PC MAX = V ECMAX. = 7,6. 500mA = 3,8W. Pelo item 3 acima, vemos que o transistor opera dentro da especificação, pois a potência dissipada real máxima é de 3,8W contra 4W de potência teórica. Pág. 7
EXERCÍCIOS PROPOSTOS Circuitos Eletrônicos Responda as questões de 1 a 8 referentes ao circuito abaixo, segundo os dados e especificações a seguir. Dados: V Z = 5,6V, P ZMAX = 560mW, β MIN = 50, P CMAX = 5W, V ECMAX = 80V, V ECMIN = 0,3V, V EB = 0,6V. Considerar I ZMAX = P Z /V Z e I ZMIN = 10% I ZMAX. 1.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a corrente de saída, sabendo-se que V E = 10V e RL = 10Ω e R E = 20Ω. a) I SAÍDA = 150mA b) I SAÍDA = 500mA c) I SAÍDA = 200mA d) I SAÍDA = 250mA e) I SAÍDA = 100mA Resposta: d 2.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a tensão em R L, sabendo-se que a tensão de entrada V E = 10V e R L = 10Ω. a) V RL = 4,5V b) V RL = 5,5V c) V RL = 4,0V d) V RL = 5,0V e) V RL = 2,5V Resposta: e Pág. 8
3.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a corrente que circula no transistor, sabendo-se que V E = 10V e R L = 0. a) I = 440mA b) I = 250mA c) I = 440mA d) I = 500mA e) I = 500mA Resposta: b 4.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a potência consumida no transistor e na saída, sabendo-se que V E = 10V e RL = 10Ω. a) P C = 1,25W e P SAÍDA = 1,25W b) P C = 2,5W e P SAÍDA = 2,5W c) P C = 4,0W e P SAÍDA = 5,0W d) P C = 5,0W e P SAÍDA = 5,0W e) P C = 4,0W e P SAÍDA = 5,0W Resposta: a 5.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a corrente no zener e na base do transistor, sabendo-se que V E = 10V e R S = 44Ω e RL = 10Ω. a) I Z = 95mA e I B = 5mA b) I Z = 100mA e I B = 5mA c) I Z = 50mA e I B = 15mA d) I Z = 100mA e I B = 20mA e) I Z = 95mA e I B = 10mA Resposta: a 6.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a tensão mínima a ser aplicado na entrada, sabendo-se que R S = 44Ω e RL = 10Ω do ponto de vista do zener. a) V EMIN = 7,48V b) V EMIN = 7,42V c) V EMIN = 6,26V d) V EMIN = 7,5V e) V EMIN = 5,0V Resposta: c Pág. 9
7.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta para a tensão máxima a ser aplicado na entrada, sabendo-se que R S = 44Ω e RL = 10Ω do ponto de vista do transistor. a) V EMAX = 86,48V b) V EMAX = 27,5V c) V EMAX = 90,44V d) V EMAX = 80,84V e) V EMAX = 85,0V Resposta: b 8.o Exercício: Indique qual das alternativas é correta, sabendo-se que V E = 10V e R S = 44Ω e RL = 0Ω. a) O transistor queima com P C = 10W b) O transistor está no limite com P C = 5W c) O transistor queima com P C = 25W d) O transistor queima com P C = 20W e) O transistor opera normal com P C = 1,25W Resposta: e Pág. 10
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BIBLIOGRAFIA Referência: Livro Texto: Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. Autores: Robert Boylestad e Louis Nashelsky, editora Pearson, Prentice Hall, 11.a edição, ano 2013. OUTRAS REFERÊNCIAS 1. Microeletrônica Sedra, A.S e Smith, K,C 5.a edição Pearson. 2. Eletrônica Vol.1 Malvino, A.P 14.a edição, Editora Makron, 3. Circuitos Elétricos - Nilsson, J. W. / Riedel, S. A. / Marques, A. S., ano de 2008 Prentice Hall Brasil. 4. Circuitos com transistores Bipolares e MOS - Silva, M. M./Calouste, G., ano de 2010. 5. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos, V.1 Bogart, J. - ano de 2000 - Editora MAKRON. 6. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos, V.2 Bogart, J. - ano de 2000 - Editora MAKRON. Pág. 12