Regulador de Tensão
Neste artigo objetivamos que você compreenda o funcionamento do regulador de tensão com diodo zener e com circuito integrado, famílias 78xx e 79xx aplicando-os em fonte de alimentação, com o intuito de obter uma saída de tensão fixa, cujo valor é determinado por estes elementos.
Características de um Regulador de Tensão
Um regulador de tensão, independentemente da sua configuração, deve atender a duas condições básicas:
- manter a tensão de saída estável, independentemente das variações da corrente na carga;
- manter a tensão de saída estável, independentemente das variações de tensão na entrada.
Diodo Zener como Regulador de Tensão
Por suas características, quando polarizado reversamente, o diodo zener pode ser empregado como regulador de tensão de baixa potência.
O esquema da figura abaixo mostra o modo de polarização do diodo zener para que o mesmo funcione como regulador de tensão.
Onde:
Irs: corrente no resistor limitador;
Iz: corrente no diodo zener;
Irl: corrente na carga;
Ve: tensão de entrada não regulada;
Vz: tensão zener;
Vs: tensão de saída regulada;
Vrs: tensão no resistor limitador.
Com base nas leis de Kirchoff, algumas fórmulas são extraídas do circuito anterior.
Vz = Vs
Ve = Vrs + Vz
Irs = Iz + Irl
Este tipo de regulador é chamado de regulador paralelo, pois o componente responsável pela regulação (zener) está em paralelo com a carga.
Para o funcionamento adequado do circuito é necessário calcular o valor do resistor limitador de corrente (Rs). Uma fórmula simplificada para o cálculo é apresentada abaixo:
Rs = Ve – Vz / Irs
A corrente Irs é a soma da corrente Iz mais a corrente Irl. Deve-se estabelecer, para Iz, um valor médio entre Iz mín. e Iz máx. Com isso garante-se que o diodo zener terá corrente suficiente para atender às variações da corrente da carga.
Exemplo: calcular o valor do resistor limitador Rs, de um regulador com diodo zener, para as seguintes condições.
Tensão de entrada (Ve) = 14 Vcc
Tensão de saída (Vs) = 10 Vcc
Corrente da carga (Irl) = 50 mA
Diodo zener = 10 V . 1 W
Cálculo de Iz máx e Iz mín:
Iz máx = Pz / Vz
Iz máx = 1 / 10
Iz máx = 0,1 A ou 100 mA
Iz mín = Iz máx / 10
Iz mín = 0,1 / 10
Iz mín = 0,01 A ou 10 mA
Cálculo de Iz:
Média entre Iz mín e Iz máx:
Iz = Iz mín + Iz máx / 2
Iz = 0,01 + 0,1 / 2
Iz = 0,11 / 2
Iz = 0,055 A ou 55 mA
Cálculo de Irs:
Irs = Iz + Irl
Irs = 0,055 + 0,05
Irs = 0,105 A ou 105 mA
Cálculo de Rs:
Rs = Ve – Vz / Irs
Rs = 14 – 10 / 0,105
Rs = 4 / 0,105
Rs = 38 ohms
Adota-se quando necessário, o valor comercial mais próximo.
Cálculo da potência dissipada no resistor
Pd = R . I2
Pd = 38 . 0,1052
Pd = 38 . 0,011
Pd = 0,42 W ou 420 mW
Recomenda-se que o resistor tenha, neste caso, pelo menos a potência de 1 W para evitar superaquecimento.
Obs.: neste exemplo, se a carga for desligada do circuito, toda a corrente Irs (105 mA) passará pelo diodo zener, provocando a sua queima; portanto, antes da escolha do tipo de regulador, é preciso fazer uma análise do tipo de carga que será aplicada a ele.
Exemplo de uma fonte regulada com zener:
Regulador de Tensão Integrado
Existem no mercado circuitos integrados reguladores de tensões. Esses circuitos integrados podem fornecer tensões fixas ou ajustáveis, dependendo do modelo.
Na maioria dos casos, os reguladores possuem proteções internas contra curto-circuito, sobrecorrente e sobrecarga térmica, desligando o circuito nessas condições.
Pode-se destacar outras vantagens:
- baixo custo;
- tamanho reduzido;
- alta confiabilidade;
- alta durabilidade;
- simplicidade na aplicação;
- etc.
Os reguladores integrados são encontrados em vários encapsulamentos, porém o mais comum é o TO-220, apresentado na imagem abaixo.
Na aplicação dos reguladores integrados, alguns cuidados devem ser tomados em relação às suas características elétricas:
- tensão máxima de entrada;
- corrente máxima;
- potência dissipada máxima.
Esses dados podem ser obtidos nos manuais técnicos dos fabricantes.
Regulador de tensão fixa
Os tipos de reguladores integrados fixos mais comuns são os da família 78xx e 79xx. As linhas 78xx é composta por reguladores positivos, enquanto que os da linha 79xx são negativos.
Os dois algarismos após a identificação da família indicam a tensão de saída.
Exemplos:
7812 – regulador positivo com tensão de saída de 12 volts
7905 – regulador negativo com tensão de saída de -5 volts
Na tabela abaixo são apresentadas algumas grandezas dos reguladores de tensão da família 78xx. Para a família 79xx tem-se os mesmos valores das grandezas alterando apenas o sinal de (+) para (-).
| CI | VI máx (V) | VI mín (V) | Vo (V) | Tol Vo (%) |
|---|---|---|---|---|
| 7805 | 25 | 7 | 5 | 8 |
| 7806 | 25 | 8 | 6 | 8 |
| 7808 | 25 | 10,5 | 8 | 8 |
| 7885 | 25 | 10,5 | 8,5 | 8 |
| 7812 | 30 | 14,5 | 12 | 8 |
| 7815 | 30 | 17,5 | 15 | 8 |
| 7818 | 33 | 21 | 18 | 8 |
| 7824 | 38 | 27 | 24 | 10 |
Na tabela abaixo temos a lista dos reguladores fixos da linha LT1086.
| Linha LT1086 | |||
|---|---|---|---|
| Corrente máxima de saída: 1.5 A | |||
| Modelo | Vin máx. (V) | Vin mín. (V) | Vout (V) |
| LT1086-2.85 | 18 | 4.35 | 2.85 |
| LT1086-3.3 | 18 | 4.75 | 3.3 |
| LT1086-3.6 | 18 | 5 | 3.6 |
| LT1086-5 | 20 | 6.5 | 5 |
| LT1086-12 | 25 | 13.5 | 12 |
A figura abaixo mostra um projeto que desenvolvemos de uma fonte de alimentação com regulador de tensão integrado. Após apresentação do circuito o mesmo será simulado no software ltspice e os dados apresentados neste artigo.
Nota: Todo circuito o qual possui simulação aqui, pode ser adquirido (comprado) para testes ou mesmo aprimoramento dos conhecimentos aqui citados ou ainda para uso geral. Desta forma a compra será do circuito montado em placa de circuito eletrônico, e neste caso é o kit por possuir o circuito montado em placa, o transformador e alguns acessórios. Para aquisição (compra) entre em contato na página a seguir, contato, e informe alguns dados que são: link do circuito, imagem do circuito, quantidade de compra.
Esta fonte utiliza o regulador de tensão LT1086-12, que conforme tabela anterior, possui tensão de entrada mínima de 13,5 V e tensão de entrada máxima de 25 V com saída de 12 V.
Deste projeto temos alguns dados que serão citados aqui.
O transformador é de entrada de 127 Vac e saída de 20 Vac. O valor de saída no secundário do transformador poderá ter variação a depender da variação da tensão de entrada no primário do transformador. Fizemos algumas simulações para situações limites para que fosse verificado condições de tensão de entrada e tensão de saída. Em nossas simulações levamos em consideração os limites de tensão de entrada em 100 V (da rede elétrica) no primário do transformador e 150 V para a variação máxima da rede elétrica. Dentro de toda esta variação de tensão de entrada, notou-se a tensão de saída do secundário do transformador dentro dos limites de tensão de entrada do circuito integrado regulador de tensão adotado no projeto que ficou entre 14 Vcc e 21 Vcc. Neste projeto, como trata de uma fonte a ser utilizada em projetos de eletrônica, foi realizado o cálculo do capacitor de filtro para uma tensão de ondulação de aproximadamente 500 mV, e assim teremos duas tensões de saída para esta fonte (18 Vcc não regulado e 12 Vcc regulado). Com isso chegamos ao valor de capacitância de 24990 uF o qual foi arrendodado para 25000 uF. No projeto optou-se pela utilização de 2 capacitores de 10000 uF x 25 V cada e mais 5 capacitores de 1000 uF x 25 V cada, totalizando assim em uma capacitância de 25000 uF, que como consta, todos os capacitores estão em paralelo.
A saída não regulada de 18 Vcc poderá ter variações a depender da tensão de entrada da rede elétrica. Já na saída de 12 Vcc, não terá variação da tensão independentemente da variação de entrada no transformador e independente da variação de corrente na carga alimentada.
É importante observar que esta fonte de alimentação possui um limite máximo de corrente de 1.5 A, situação que envolve o transformador e o regulador de tensão. Neste caso esta fonte pode alimentar qualquer equipamento de utilize 12V de tensão de alimentação contínua e que tenha um consumo máximo de 1.5 A e 18 W. Observe que se ligados duas cargas, ou equipamentos, nas duas saídas simultaneamente (de 18 Vcc e 12 Vcc) é preciso levar em consideração a corrente máxima desta fonte e potência máxima.
Faremos agora a simulação do circuito.
Apresentamos novamente o circuito com marcação dos pontos de medição na simulação.
Observe que temos 4 pontos de teste neste circuito, todos eles marcados com as letras A, B, C e D.
Na imagem abaixo apresentamos a medição no ponto A, que é a tensão de entrada no transformador. A medição nos apresentou um valor de 126,9 Vac.
Já no ponto B (figura abaixo) o resultado na simulação foi de 19,14 Vac. Neste ponto é o secundário do transformador.
O outro ponto de teste é o ponto C, entrada do regulador de tensão que na simulação apresentou um resultado de 18,30 Vcc. Como calculamos a capacitância para uma corrente máxima de 1.5 A, e neste caso (em simulação) a corrente é de 24 mA, não se nota o ripple mencionado anteriormente de aproximadamente 500 mV, pois ele só será percebido com a corrente mencionada. Com o resistor utilizado nesta simulação a tensão de ondulação é bem menor. Observe o resultado apresentado na imagem abaixo.
Agora analisando nosso último ponto de testes, o ponto D, saída do regulador, notamos a tensão fixa de 12,00 Vcc. Veja na imagem abaixo.
Na placa de circuito eletrônico, este projeto contará com duas saídas de tensão contínua, que são: 18 Vcc e 12 Vcc. Como mencionado a saída de 18 Vcc não é regulada, podendo assim ter variação da tensão de saída. Já a saída de 12 Vcc é regulada e sobre qualquer situação referente a tensão de entrada ou mesmo a variação de corrente na carga, estando dentro dos limites previstos, a tensão de saída se manterá fixa em 12 Vcc.
Reguladores de tensão ajustáveis
O regulador de tensão ajustável possui a mesma simplicidade de aplicação do regulador de tensão fixo. O tipo mais popular é o LM317, que fornece uma ampla faixa de tensões de saída.
Aqui em nosso projeto o qual desenvolvemos para análise, usaremos o LT317A por ser o regulador com arquivo disponível no ltspice.
O LT317A é um regulador de tensão de saída ajustável, e com isso poderemos ajustar o valor da tensão de saída em um potenciômetro. A tensão de saída ficou entre 1.2 V e 27 V.
Em nosso circuito o potenciômetro é o resistor R4 conforme mostrado na imagem a seguir do circuito.
Como pode ser observado na imagem do circuito, temos o transformador de entrada para 127 Vac da rede elétrica o qual fará a conversão deste valor para 35 Vac. Logo após a etapa de transformação do valor da tensão de entrada para um valor mais próximo do qual utilizaremos, esta corrente elétrica é retificada pelos diodos D1. D2, D3 e D4 sendo a partir desta retificação uma tensão contínua pulsante e o capacitor C1 fará a filtragem desta tensão e assim a tensão contínua pulsante que sai dos diodos passa a ser uma tensão contínua pura conforme mostra a imagens abaixo.
Veja na imagem abaixo a simulação do circuito para a tensão de entrada de 127 Vac.
A imagem a seguir temos a simulação da tensão de saída do secundário do transformador, o qual apresentou um valor de 34,09 Vac.
Logo após temos a tensão de entrada do circuito integrado regulador ajustável LT317A e que é também a tensão de saída não regulada de nosso projeto com valor de 33 Vcc. Veja na imagem abaixo.
Logo abaixo temos a imagem da tensão de saída de nosso circuito. Esta tensão é regulada a depender da variação do resistor potenciômetro R4. Este potenciômetro é de 5 Kohms e com sua resistência máxima (5 k ohms) teremos o valor de saída de 27 Vcc. A variação de tensão de saída é de 1.2 Vcc a 27 Vcc. Veja a imagem abaixo a simulação com a resistência máxima de 5 k ohms.
Agora para que o leitor veja uma variação desta resistência de R4, faremos uma simulação com o resistor em 2.5k ohms (metade da resistência do potenciômetro) que nos apresentou uma tensão de saída de 14,2 Vcc. Veja na imagem abaixo.
Veremos agora a variação da resistência do potenciômetro para um valor mínimo, ou 0 ohms, e tivemos uma tensão de saída de 1,2 Vcc. Observe na imagem abaixo.
Nota: Todo circuito o qual possui simulação aqui, pode ser adquirido (comprado) para testes ou mesmo aprimoramento dos conhecimentos aqui citados ou ainda para uso geral. Desta forma a compra será do circuito montado em placa de circuito eletrônico, e neste caso é o kit por possuir o circuito montado em placa, o transformador e alguns acessórios. Para aquisição (compra) entre em contato na página a seguir, contato, e informe alguns dados que são: link do circuito, imagem do circuito, quantidade de compra.
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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica
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