Baixe Reguladores de tensão em série e paralelo e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! REGULADORES REGULA DOR SÉRIE: 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. FUNCIONAMENTO: • A tensão de saída estará disponível na carga (VL), então: VL = VZ - VBE • Como VZ >> VBE podemos aproximar: VL = VZ • Sendo VZ constante, a tensão no ponto "x" será constante • Caso VIN aumente podemos analisar o que acontece aplicando LKT: VIN = VR + VZ, mas VR = VCB, logo: VIN = VCB + VZ VCE = VCB + VBE Portanto, quando VIN aumenta, como VZ é constante, VCB também aumentará provocando um aumento de VCE, de modo a suprir a variação na entrada, mantendo VL constante. VL = VIN - VCE Então: se VIN aumenta F 0 E 8 VCE aumenta F 0 E 8 VL não se altera • Caso VIN diminua podemos analisar o que acontece aplicando LKT, obedecendo os mesmos princípios adotados anteriormente. Neste caso VCB diminui. Com a diminuição de VIN F 0 E 8 VCE diminui F 0 E 8 VL não se altera LIMITAÇÕES: Valores mínimos e máximos de VIN Como VIN = VR + VZ e VR = R.IR mas IR = IZ + IB então: VIN = R(IZ + IB) + VZ Para VIN mínima temos: VIN(MIN) = R(IZ(MIN) + IB(MAX)) Portanto, abaixo do valor mínimo de entrada o diodo zener perderá suas características de estabilização. Para VIN máxima temos: VIN(MAX) = R(IZ(MAX) + IB(MIN)) Acima do valor máximo de entrada o diodo zener perderá também suas 1 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim características de estabilização e será danificado. CONDIÇÕES PARA UM PROJETO: Alguns parâmetros devem ser observados para que o circuito opere em condições normais sem danificar seus componentes. • Tensão de entrada máxima: VIN(MAX) = (IB(MIN) + IZ(MAX)).R + VZ ( I ) Na pior condição RL = F 0A 5 (carga aberta), logo IB(MIN) = 0 VIN(MAX) = R.(IZ(MAX)) + VZ onde: IZ(MAX) = • Tensão de entrada mínima: VIN(MIN) = (IB(MAX) + IZ(MIN)).R + VZ ( II ) De ( I ) tiramos: IZ(MAX) = ( III) De ( II ) tiramos: IZ(MIN) + IB(MAX) = ( IV ) Dividindo ( III ) e ( IV ) temos: PROJETO Projetar uma fonte de alimentação estabilizada com diodo zener e transistor com as seguintes características: Tensão de saída (VL): 6V Corrente de saída máxima (IL(MAX)): 1,5A Tensão de entrada (VIN): 12V F 0B 1 10% Escolha do transistor O transistor a ser utilizado deverá obdecer as seguintes características: VCBO > VIN(MAX) F 0 E 8 no caso 13,2V IC(MAX) 1> IL(MAX) F 0E 8 no caso 1,5A PC(MAX) 2> (VIN(MAX) - VL) . IC(MAX) Supondo que o transistor escolhido seja o BD235, que de acordo com o manual do fabricante tem as especificações: VCBO(MAX) = 45V IC(MAX) = 2A PC(MAX) = 25W F 0 6 2 > 40 < 250 Neste caso, o valor mínimo de beta é 40 e o máximo 250. Para que o projeto funcione sem problemas adota-se o beta de menor valor. O transistor escolhido atende as exigências quanto a VCBO(MAX) e IC(MAX). No entanto é preciso verificar se a potência que será dissipada pelo coletor será suficiente para este projeto. 2 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim 1 IC(MAX) é a máxima corrente que o coletor pode suportar 2 PC(MAX) é a máxima potência de dissipação do coletor • Tensão de entrada mínima: VIN(MIN) = R1.(IZ(MIN) + IC(MIN) + IL(MAX)) + VZ + VBE ( II ) Dividindo ( I ) e ( II ), temos: Isolando IZ(MAX): IZ(MAX) = ( III ) OBS: IC(MIN) 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 R2: IR2 = IZ(MIN) - IB(MIN), onde IB(MIN) = portanto: IR2 = IZ(MIN) - ( IV ) Quando a tensão de entrada for máxima e a carga estiver aberta (pior condição), um acréscimo de corrente circulará pelo diodo zener. Como VBE é praticamente constante, essa corrente circulará pela base do transistor, daí então teremos: IC(MAX) = F 06 2 (MIN) . (IZ(MAX) - IR2 ( V ) Substituindo ( V ) em ( III ), temos: IZ(MAX) = . (IZ(MIN) + IC(MIN) + IL(MAX)) - F 06 2 (MIN).(IZ(MAX) - IR2 IZ(MAX) = Escolha do transistor: Deverão ser observados os parâmetros: VCEO 3 > (VZ + VBE) IC(MAX) > IL(MAX) PC(MAX) > (VZ + VBE) . IC(MAX) Escolha do diodo zener: Os parâmetros são idênticos aos adotados no regulador série. PROJETO Projetar um regulador paralelo , com as seguintes características: VL = 15V IC(MAX) = 600mA VIN = 22V F 0B 1 10% Escolha do transistor: O transistor deverá ter as seguintes características: VCEO > (VCE + VVBE) Ic(MAX) > IL(MAX) 5 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim 3 VCEO é a tensão entre coletor e emissor com a base aberta PC(MAX) > (VZ + VBE) . IC(MAX) Adotaremos o transistor 2N3534, que tem as características: VCEO = 35V IC(MAX) = 3A PC(MAX) = 35W F 0 6 2 (mínimo = 40; máximo = 120) Escolha do diodo zener: O diodo zener escolhido foi o BZXC1C15, que tem as características: PZ(MAX) = 1,3W IZ(MIN) = 20mA VZ = 15V IZ(MAX) = Verificando se o diodo zener escolhido pode ser utilizado: IZ(MAX) = Desprezando IC(MIN) F 0 E 8 ICMIN) = 0, então como IR2 = IZ(MIN) - , IR2 = 20mA IZ(MAX) = IZ(MAX) = = (2,073 . 1,42).0,0244 = 71,83mA IZ(MAX) = 71,83mA (o zener pode escolhido é compatível) Calculando IC(MAX): IC(MAX) = F 06 2(MIN) . (IZ(MAX) - IR2) IC(MAX) = 40 . (71,83mA - 20mA) IC(MAX) = 40 . 51,83mA = 2,073A IC(MAX) = 2,073A (o transistor é compatível quando a IC(MAX)) Calculando PC(MAX): PC(MAX) = (VZ + VBE) . IC(MAX) = 15,07 . 2,073 = 31,24W PC(MAX) = 31,24W 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 R2: VR2 = R2.IR2 F 0E 8 VR2 = VBE R2 = (adotar 33F 05 7 ) PR2 = Calculando R1: R1 = OBS: IC(MIN) = 0 R1 = 6 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim R1 deverá ser maior do que 3,94F 05 7 e menor do que 6,613 F 0 5 7 3,94F 05 7 < R < 6,61 F 0 5 7 R1 adotado = 5,6F 05 7 (valor comercial) Potência dissipada por R1: PR1 = (adotar 15W - valor comercial) REGULADOR COM AMPLIFICADOR 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 Zener: é utilizado como elemento de referência de tensão; • Transistor T1: 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 T2: é basicamente um comparador de tensão DC, isto é, compara duas tensões, VR2 e VR3, sendo a tensão VR3 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. FUNCIONAMEN TO: Quando houver uma variação da tensão de entrada, a tendên cia é ocorrer uma variaç ão da tensão de saída. Supondo que VIN aumente, a tensão nos extremos de RL tender á a aumentar, aumen tando a tensão VR2 e VR3, mas, como a tensão no emissor de T2 é fixada por VZ, então um aumen to de tensão no ponto "x" provocará um aumento de VBE2, que aumentará IB2 e consequentemente IC2. Quando IC2 aumenta, haverá um aumento da tensão em R1 (VR1), uma vez que a tensão do emissor de T2 é fixada pela tensão de zener (VZ). Como VBE1 é fixa, então um aumento de VR1 provocará um aumento de VCE1. Lembrar que VR1 = VCB1 e que VCB1 + VBE1 = VCE1. Um aumento de IC2 provocará também um discreto aumento na corrente de base de T1 (IB1). IC2 = IR1 - IB1 IR1 = IC2 + IB1 7 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim VCEO > (VL + VBE2(MIN) - VZ) = (12V + 0,6V) - 5,1V = 12,6V - 5,1V = 7,5V IC(MAX) > IZ(MAX) = 255mA PC(MAX) > [(VL + VBE1(MIN)) - VZ] . IZ(MAX) PC(MAX) > [(12V + 0,6V) - 5,1V] . 255mA = 1,912W Para o transistor T2 também foram adotados os valores de 0,6V e 0,7V para VBE2(MIN) e VBE2(MAX) respectivamente. O transistor escolhido foi o BD135 que tem as seguintes características: VCEO = 45V IC(MAX) = 1A PC(MAX) = 8W F 0 6 2 (MIN) = 40 F 0 E 8 F 06 2 (MAX) = 250 Cálculo de R1: R1 > = R1 < = 58,4F 05 7 < R1 < 140 F 0 5 7 F 0 E 8 valor adotado: 100F 05 7 Calculando a potência desenvolvida em R1: PR1 = = (adotar 5W) Cálculo de R2: R2 > F 0 E 8 IZ(MAX) = IZ(MAX) = R2 > R2 < F 0 E 8 IZ(MIN) = IZ(MIN) = R2 < 422,82F 05 7 < R2 < 794,87 F 0 5 7 F 0 E 8 adotar 560F 05 7 Calculando a potência desenvolvida em R2: PR2 = PR2 = Cálculo de R3: R3 = = F 0 E 8 adotar 470F 05 7 onde: VR3 = (VZ + VBE2(MIN)) Calculando a potência desenvolvida em R3: PR3 = PR3 = 10 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim CONFIGURAÇÃO DARLINGTON: Se F 06 2 1 = F 0 6 2 2 = 100, teremos: IC1 = IE1 e IC2 = IE2 O ganho total (F 06 2T) será dado por: F 0 6 2 1 . F 0 6 22 = 100.100 = 10.000 Assim, IC2 = F 06 2T . IB1 A tensão entre base e emissor é dada por: VBE = VBE1 + VBE2 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 BD262 e BD263, com polaridades pnp e npn respectivamente. PROJETO DE UM REGULADOR SÉRIE COM TRANSISTOR DARLINGTON Reprojetar o regulador série da página 1, utilizando transistor Darlington; proceder uma análise do projeto comparando-o ao projeto anterior e apresentar conclusões. Características do regulador: Tensão de saída (VL): 6V Corrente de saída máxima (IL(MAX)): 1,5A Tensão de entrada (VIN): 12V F 0B 1 10% Para este projeto foi escolhido o transistor BD263, cujas características são: VCBO = 80V IC(MAX) = 4A PC(MAX) = 36W F 0 6 2(MIN) = 500 F 0 E 8 F 06 2(MAX) = 1.000 Neste caso, VBE é maior. Vamos considerar para este projeto, VBE = 1,4V Desta forma, o diodo zener deverá ter uma tensão: 6V + 1,4V = 7,4V. O valor comercial mais próximo é de 7,5V. O diodo zener escolhido foi oBZX75C7V5, cujas características são: VZ = 7,5V PZ(MAX) = 400mW IZ(MIN) = 10mA IZ(MAX) = 11 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim Verificando a escolha do transistor: PC(MAX) = (VIN(MAX) - VL) . IC(MAX) IC(MAX) = IE(MAX) - IB(MAX) IE(MAX) = IL(MAX) F 0E 8 IC(MAX) = IL(MAX) - IB(MAX) IB(MAX) = logo: IC(MAX) = IL(MAX) - IC(MAX) = = PC(MAX) = (13,2V - 6V) . 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. Verificando a escolha do zener: IZ(MAX) = IB(MAX) = IZ(MAX) = IZ(MAX) = Como PZ(MAX) teórico = 53,33mA e IZ(MAX) = 22,44mA o diodo zener escolhido pode ser utilizado. Cálculo de R: Para a máxima de tensão de entrada: VIN(MAX) = 13,2V VIN(MAX) = R.(IB(MIN) + IZ(MAX)) + VZ Na pior condição: RL = F 0A 5 F 0 E 8 IB(MIN) = 0 VIN(MAX) = (R . IZ(MAX)) + VZ R = Para a mínima tensão de entrada: VIN(MIN) = 10,8V R = Portanto R deverá ser maior do que 106,88F 05 7 e menor do que 253,96 F 0 5 7. Adotaremos o valor comercial mais próximo a partir de uma média aritmética dos dois valores, que neste caso é 180F 05 7 . Potência dissipada pelo resistor: P = F 0E 8 P = = Podemos adotar um valor comercial mais próximo: 250mW (1/4W). 12 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim Sendo: IB = , temos: IE = Se RE for 10 vezes maior do que , podemos simplificar a fórmula: IE = Para se conseguir uma boa estabilidade no circuito utiliza-se a regra 10:1, o que equivale dizer que: RTH F 0A 3 0,1 F 0 6 2RE Apresentamos a seguir algumas regras práticas para a elaboração de um projeto de polarização por divisor de tensão na base: VE = 0,1VCC VCE = 0,5VCC VRC = 0,4VCC RC = 4RE RBB = 0,1F 06 2RE RB1 = ou RB1 = RBB . RB2 = ou RB2 = Cálculo das correntes de emissor, base e coletor • Em função de F 06 2 IB = - ICBO F 0E 8 IE = (F 06 2 + 1)IB + ( F 0 6 2 + 1)ICBO IC = F 06 2IB + ( F 0 6 2 + 1)ICBO onde: ( F 0 6 2 + 1)ICBO = ICEO • Em função de F 06 1 : Partindo da equação ( II ) da página 6 desta apostila: IC = F 06 1IE + ICBO temos: IE = IC + IB logo: IC = F 06 1(IC + IB) + ICBO portanto: IC = F 06 1IC + F 0 6 1IB + ICBO resolvendo: IC - F 06 1IC = F 0 6 1IB + ICBO colocando IC em evidência resulta: IC (1 - F 06 1) = F 0 6 1IB + ICBO portanto: IC = EXERCÍCIOS RESOLVIDOS SOBRE POLARIZAÇÃO: 1 - Dado o circuito abaixo, polarizar o transistor na região ativa, 15 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim determinando o valor dos resistores e as correntes. Solução: Adotando VE = 0,1VCC, VCE = 0,5VCC e VRC = 0,4VCC, temos: VE = VRE = 1,2V VCE = 6V VRC = 4,8V Cálculo de IB Como F 06 2 0 0 1 F = 100, podemos fazer I C = IE, logo: IB = = = 30F 06 DA Cálculo de RE RE = = = 400F 05 7 Cálculo de RBB RBB = 0,1F 06 2 .400 = 4k F 0 5 7 Cálculo de VBB VBB = RBBIB + VBE + VRE = 4.000.(30.10-6) + 0,7 +1,2 = 0,12 + 0,7 + 1,2 VBB = 2,02V Cálculo de RC RC = = = 1,6kF 05 7 (equivalente a 4RE) Cálculo de R1 R1 = = = = 23.762F 05 7 Cálculo de R2 R2 = = = = 4.817F 05 7 Podemos também calcular R2 da seguinte forma: R2 = = = = = 4.809F 05 7 F 0 B B 4.817 F 0 5 7 RESPOSTAS: RC 1,6kF 05 7 RE 400F 05 7 R1 23,762kF 05 7 R2 4,817kF 05 7 IB 30F 06 DA IE 3mA IC 3mA 2 - Dado o circuito a seguir, calcule: F 06 2 , ICEO, IC, IB, RC e RB. Cálculo de F 06 2 Cálculo de ICEO ICEO = (F 06 2 + 1)ICBO = 12,5.(6 F 0 6 DA) = 75 F 0 6 DA 16 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim Cálculo de IC IC = F 06 1IE + ICBO = 0,92.(4mA) = 3,68mA + 75 F 0 6 DA = 3,755mA Cálculo de IB IB = IE - IC = 4mA - 3,755mA = 245F 06 DA Cálculo de RC RC = F 0 E 8 VRC = VCC - VCE - VRE (onde VRE = 0,1VCC) VRC = 12 - 5 - 1,2 = 5,8V RC = = 1.54kF 05 7 (1.544,6 F 0 5 7) Cálculo de RE RE = = = 300F 05 7 Cálculo de RB RB = F 0 E 8 VRB = VCC - VBE - VRE F 0 E 8 VRB = 12 - 0,55 - 1,2 = 10,25V RB = = 41,84kF 05 7 (41.836,7 F 0 5 7) RESPOSTAS: F 0 6 2 11,5 ICEO 75F 06 DA IC 3,755mA IB 245F 06 DA RC 1.54kF 05 7 RE 300F 05 7 RB 41,84kF 05 7 3 - No seguidor de emissor a seguir, calcule todas as tensões e correntes de polarização, considerand o F 06 2 = 40. Cálculo de IB IB = Cálculo de IE IE = (F 06 2 + 1).IB = (41). 72,12F 06 DA = 2,96mA Cálculo de VCE VCE = VCC - REIE = VCC - VRE = 15 - (2,7kF 05 7 . 2,96mA) = 15 - 7,992V = 7,008V F 0 B B 7V VRE = 7,992V F 0B B 8V RESPOSTAS: 17 ETE ALBERT EINSTEIN - Reguladores - Prof. Edgar Zuim