Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução PRI Uma “fonte de tensão U0 genérica” pode ser reduzida (ou simplificada) aos blocos da figura ao lado representada: - fonte de tensão UIN propriamente dita; - respetiva resistência interna. I0 RI PRL UIn Assim, - a tensão UOUT aos seus terminais varia entre UOUT Max e UOUT Min com UIn e também com a intensidade IO solicitada pela carga devido à RI; ou seja “não é uma tensão estabilizada”; - há dissipação – ou perda - de potência na resistência interna Ri, o que provoca aquecimento “interno”. U0 I0 Ou seja: RL U UO com estabilização UIN UO = UIN - ∆U em que ∆U é a queda de tensão na UO sem estabilização resistência interna RI (∆U = IO*RI ); PTOTAL = PRI + PRL I Define-se ainda “regulação de carga”/”load regulation” como (UO – UIMax) / UIMax (em %) que nos indica a variação da tensão com a corrente. FALS LINEARES As diversas soluções tecnológicas procuram dentro dos limites e caraterísticas pretendidas para cada fonte reduzir ao máximo aqueles inconvenientes: reduzir as perdas internas (e assim aumentar a eficiência) e estabilizar a tensão de saída UO. (a estabilização é obtida mediante o controlo sobre UIN ou/e RI) PRINCIPAIS TIPOS DE FALS FALS COMUTADAS (a estabilização é obtida mediante o controlo sobre a frequência de comutação) FALs lineares estabilizadas (com regulação em série) Regulador T UIN UO URef T Com este circuito, a U0 deixa de depender de UIN ou RI pois o bloco URef RL impõe um valor constante a UO R1 UIN + UO = URef – O,6V URef R2 T é o elemento regulador série de UO. circuito, uma U0 Neste amostra de U0 ( obtida RL na divisão potenciométrica de R1 e R2), é comparada com URef e o resultado regula o elemento série T. Esquema de uma FAL estabilizada com regulador série (12VDC, 800mA) Q1 BD237 1B4B42 12V AC 4 R1 180Ω 2 D 3 UREF 1 D1 C1 1mF C2 100uF UO = UZ – 0,7V = 12,3V PD Q1 = UCE • IO BZV85-C13 FAL_intro_a.doc RL A tensão de referência UREF é obtida mediante o díodo zener D1 que é polarizado por R1. Como o díodo tem UZ = 13V, a tensão UO é de cerca de 12,3V. Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (2) FAL estabilizada com regulador série com 2 transistores (12VDC, 800mA) Q1 BD237 18V AC R1 2kΩ 2 4 Se a tensão UOUT aumentar, a tensão da base de Q2 também aumentará e a respetiva corrente IC através de R1, provocando uma redução da tensão do emissor de Q2. Analogamente, se UO diminuir, também diminuirá a tensão da base de Q2, originando maior tensão na base de Q1 e no emissor do mesmo. R3 3kΩ 1 D R5 1kΩ 3 Q2 1B4B42 RL R4 C1 1mF BC237BP 3kΩ 5% D1 BZV60-C5V6 Como R3 e R4 constituem uma divisão potenciométrica podemos calcular UO = (R3 + R4)/R3 • (UZ + UBE) = 12,4V Q1 BD237 2 18V AC 4 R1 2kΩ D R3 1kΩ R6 1 R5 1kΩ 3 Q2 1B4B42 C1 1mF RL 15kΩ 95% Key=B BC237BP R4 2kΩ D1 BZV60-C5V6 5% Para se obter uma tensão regulável, a série R3+R4 do circuito anterior deve ser substituida por uma outra série com um potenciómetro e duas resistências de “segurança”, ou seja: Estabilização com regulador em paralelo A estabilização das FALs estudadas anteriormente é obtida com o elemento regulador – o transístor NPN – ligado em série com a carga RL. Embora com desvantagens – por causa da dissipação de potência em Rs – também se pode usar o regulador em paralelo (Pe. LM4030, 4050..) A regulação paralelo com O díodo zener é muito U UIN Max usado na estabilização um transístor seria: I em paralelo U UZ UIN Min UO t IS IZMin Como IZMin ≈ 0 ↔ IS ≈ IO e IO UZ = UO, temos que RS Max = (UIN Min – UZ)/ IO Max IZ R Para que o díodo não se L funda na UIN Max e IO Min Dz UO RS Min = (UIN Max - UZ) / IZMax com IZMax = PZMax / UZ . Rs Quando IZMáx (PZMáx) polarizado inversamente (IZMin ≈ 0mA) a tensão UZ mantem-se constante independentemente da IZ… FAL_intro_a.doc UIN Uz UOUT = UZ + UBE IS UIN IO Rs Uz DZ UB E RL Q1 UO Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (3) Regulação em série com realimentação aumentada (através de ampop) Q1 R3 R2 U1 RL UIN UO UZ R1 Este circuito é semelhante a um já estudado (FAL estabilizada com regulação série com 2 transistores) . Contudo o ampop reforça a realimentação negativa: se a tensão de saída UO diminuir aumenta a tensão na base de Q1 pelo que aumenta UO… e vice versa. UOUT = (R1 + R2). UZ / R1 PD = (UIN – UO) . IC Por vezes substitui-se Q1 por um transístor Darlington, portanto com maior ganho (cerca de 1000) para a corrente de saída do ampop: perante um ligeiro aumento de corrente na sua saída, UO estabiliza… Proteção contra excesso de corrente IO Q1 BD137 R1 470Ω A R2 funciona como sensor da corrente de carga IO. A tensão UR2 = IO x R2, que é proporcional à corrente IO, é aplicada à base de Q3. Quando esta ultrapassa o valor de 0,6V, Q3 começa a conduzir reduzindo a tensão de base de Q1, o transístor de regulação, e diminui ou anula mesmo a tensão de saída UO. R3 RL UO Q2 UIN BC238BP 10kΩ 0% Key=A Dz BZV60-C4V3 R4 4.7kΩ Q3 BC238BP R2 1Ω UR2 = 1Ω x 0,6A UR2=UBE=0,6V No circuito do lado (em que novamente o efeito da realimentação é reforçado por um ampop) a resistência-sensor faz Q2 conduzir quando for percorrida por uma corrente IO = 0,2A (UBE Q2 = 3Ω x 0,2A = 0,6V). Assim, a corrente de saída do ampop é desviada da base do transístor… FAL_intro_a.doc IO IO Q1 BD137 R1 820Ω Q2 Dz BZV60-C4V7 IO IO R4 750Ω BC238BP R3 1kΩ UIN R2 3Ω 50% 1kΩ Key=A R6 750Ω UO RL IO Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (4) Esquema de uma FAL estabilizada com regulador série com tensão de saída negativa em relação à massa (-12V, 1A). A análise do circuito desta FAL é muito 1 UIN AC semelhante ao circuito 4 1N4007 1N4007 Q1 TIP42A 12V 0 da FAL com saída AC D4 D2 positiva anteriormente R1 2 220Ω analisada: como o 3 UO 1N4007 1N4007 potencial positivo está R2 1kΩ agora ligado á massa, C1 D5 R os componentes L C2 BZV60-C12 1mF 470uF estão consequentemente reorientados (ponte retificadora, condensadores eletrolíticos, díodo zener, transístor (agora PNP),…). Com um díodo zener de 12V, a tensão UO é de cerca de 11,4V… D3 FAL_intro_a.doc D1 Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (5) Projeto/Blocos de uma fonte estabilizada, regulável e com proteção 0V...Umax (230V) TRANSFOR MADOR RECTIFICAÇÂO /FILTRAGEM AMPLIFICADOR / REGULADOR (DC) (AC) PROTECÇÃO GERADOR TENSÃO REFERÊNCIA COMPARADOR A fonte que se segue é estabilizada entre 0...0,4A e regulável de 4...12V. Tem protecção para uma corrente de 0,5A. Amplificação Q3 BD137 2 D3 U3 12V V1 1N4001 0 R3 1.5kΩ Q2 BC548B 6 4 + 11 R6 100Ω 10 1N4001 1N4001 D4 220V D1 1 R1 4.7kΩ Umais 7 R7 2kΩ Key=A Q4 D2 R2 220Ω BC548B Comparação 15 1N4001 13 5 Tensão C3 1uF Refer. C4 100nF D5 BZX55C3V0 50% 16 Q1 Transformação, Rectificação, Filtragem C1 1mF C2 R8 200Ω BC548B R4 220Ω 100nF 0 R5 Protecção C5 470uF C6 100nF Umenos 1.8Ω ▬ Transformação, Rectificação e Filtragem: é constituido pelo tranformador 220V/12V, díodos e condensadores C1 e C2; Gerador de Tensão Constante: Díodo Zener D5, polarizado por R3, de tal modo que mantém sempre uma tensão de referência constante mesmo que a corrente de polarização varie/diminua; Comparação/Regulação: compara uma fracção da tensão de saída através do cursor de R 7 (Rvariável) com a tensão do emissor de Q4: se a tensão UBE de Q4 diminui, também diminui a IC do mesmo e a que-da de tensão em R1, pelo que aumenta a polarização de Q 2/Q3... diminui a UCE de Q3, e aumenta a U0; Protecção: quando a corrente em R5 aumenta de modo a obter-se uma tensão UBE para Q1 apreciável, este começa a conduzir e a “puxar” corrente do nó 13. Q2 deixa de estar à condução... Amplificação de Potência: constituido pela ligação em ‘Par Darlington” de Q2 e Q3... Exercício: simular e optimizar esta FAL a partir do seu circuito em MultiSim FAL_intro.ms10 FAL_intro_a.doc Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (6) Reguladores lineares monolíticos 79XX ??78XX ??3940 ??2940 Os circuitos discretos (constituídos por componentes individuais…) de FALs estudados anteriormente são na OUT TO-220 IN prática muitas vezes substituídos por circuitos TO-220 IN integrados monolíticos, circuitos reguladores de OUT tensão série pois são os mais eficientes e baratos. Os 78LXX diversos fabricantes acrescentaram ainda outras funcionalidades e 79LXX também por isso são muito populares e facilitam o projeto de FALs TO-92 TO-92 para praticamente todas as situações possíveis. Estes CIS – chamados genericamente por reguladores de tensão pois, tal OUT como os estudados anteriormente, procuram estabilizar, e em IN IN OUT alguns casos regular, a tensão de saída UO – apresentam-se com (7) 723 diversos tipos de encapsulamento, a que correspondem características e aplicações diversas. Como escolher um CI regulador de tensão (Voltage Regulator) OUT(10) Caraterísticas IN (11,12) PDIP14 UOUT pode ser fixa ou regulável e ainda positiva ou negativa. A série muito popular 78XX é de tensão positiva fixa; a série 79XX é negativa também fixa. A série LM117/LM317 pode por sua vez regular UOUT de 1,2V a 37V. IOUT MAX, Intensidade máxima A IOUT é determinada pela carga alimentada e é limitada pela intensidade máxima IOUT MAX caraterística de cada tipo de regulador. Na série 78XX ou 79XX de carga (cápsula TO-220) IOUT MAX é de 1A a 1,5A quando o regulador é montado num dissipador de calor. Na série 78LXX é de 100mA (cápsula TO-92, designada por baixa potência, “low-power IC regulators”). UINMAX, Tensão de entrada Tensão máxima que o regulador suporta à entrada sem se “queimar” por excesso de calor. Tensão mínima entre UIN e UOUT que garante uma boa regulação. Nas séries ∆U, Dropout Voltage ou 78XX e 79XX é de 2…3V. Quando não é possível haver aquela margem de Tensão de Abatimento segurança (nos circuitos alimentados por baterias…) usam-se reguladores de tensão de baixo abatimento/”low dropout regulators” como os da série LM2940 que é de 0,5V a 1V com 1A em IOUT , o que torna este regulador excelente para algumas aplicações. ∆UOUT, Regulação de carga Mede em percentagem a variação de UOUT em função de uma gama de IOUT (quanto menor, melhor é o regulador…). P.e., no LM7815, a tensão de saída (15V) varia de 12mV quando a corrente de carga varia de IOUT = 5mA a IOUT = 1,5A. ∆UOUT, Regulação de rede Mede em percentagem a variação de UOUT em função de uma gama de UIN (quanto menor, melhor é o regulador …). P.e., no LM7815, a tensão de saída (15V) varia de 4mV quando a tensão UIN varia de UIN = 17,5V a UIN = 30V. ∆UIN/∆UOUT, Rejeição de Ripple Mede, em dB (80dB para o LM7805…), a relação dos ripples de UIN e UOUT. Proteção contra excesso de calor Um sensor térmico interno protege o CI do excesso de calor/Potência dissipada UOUT, Tensão de saída Proteção contra IOUT elevadas Proteção contra excesso de corrente e curto-circuitos… IQ, Corrente de repouso Quiescente corrent, corrente consumida mesmo quando IOUT = 0 FAL_intro_a.doc Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (7) F. alimentação genérica com um regulador de 3 pinos ∆U IIN IN REGULADOR DE TENSÃO OUT (FIXO) UIN I0UT IQ GND C1 C2 UOUT RL C1, C2: condensadores de desacoplamento das correntes de alta frequência ou transitórios recomendados pelos fabricantes (cerca de 100nF, poliester). U UIN MAX UIN MIN UOUT t Caraterísticas mais gerais a 25ºC de alguns dos reguladores de três pinos das séries 78XX e 78LXX da Texas Instruments/National Semicondutor (µA78XX… µA 78LXX…) 35V 5V 35V 10V 35V 15V 40V 40V 30V 2,6V 30V 6,2V -35V -8V 40V 1,25…37V 40V MAX >1,5A >1,5A >1,5A >1,5A 100mA 100mA <-1,5A >1,5A ∆U ∆UOUT ∆UOUT Rejeição (Carga) (Rede) Ripple 2V 15mV 3mV 2V 12mV 7mV 2V 12mV 11mV 2V 12mV 18mV 1,7V 20mV 12mV 1,7V 35mV 16mV 1,1V 15mV 12mV 40V 0,1%/V 0,01%/V 2…37V 150mA 40V -0,3mV/V 0,1V/V 78dB 71dB 70dB 66dB 51dB 48dB 60dB 57dB IQ 8mA 4,3mA 4,4mA 4,6mA 3,6mA 3,9mA 1,5mA 50µA TO220 FAL_intro_a.doc (Valor Típico) IOUT TO-92 µA723 UOUT TO-220 µA7805C µA7810 µA7815 µA7824 µA78L02 µA78L06 µA7908 LM317 UIN MAX CÁPSULA CI… DIP 74dB 2,3mA 14 Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (8) Esquema de blocos de um regulador de tensão monolítico (Fairchild Semicondutor) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão Aplicação típica Para obter uma tensão estabilizada superior a VXX Tensão de saída ajustável … Aumento da Io MÁX… FAL_intro_a.doc Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (9) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.) Aumento da Io MÁX e protecção contra CC FAL de tensões simétricas FAL comutada… Estabilização de tensão negativa com regulador positivo fixo… Aplicação típica do LM117…317 (Regulação variável) Regulação variável com shutdown Com IADJ.R2 ≈ 0 FAL_intro_a.doc Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (10) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.) Regulação com intensidade elevada FAL comutada de baixo custo… FAL_intro_a.doc Versão 1.2.1 10.12.12 www.laboratorio.online.pt Fontes de alimentação (FALs): introdução (cont.) (11) Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.) Circuito FAL com LM723… Consultar na Net: http://www.ti.com/lsds/ti/analog/powermanagement/power_portal.page http://www.onsemi.com/PowerSolutions/taxonomy.do?id=448 FAL_intro_a.doc