Circuitos reguladores de tensão com diodo zener e transistor

Circuitos reguladores de tensão
com diodo zener e transistor bipolar de junção
1) Noções sobre o transistor bipolar de junção (TBJ)
C
símbolo do TBJ NPN:
B
E
É um dispositivo de três terminais em que a corrente através de um deles (base B) controla a
corrente através dos outros dois (coletor C e emissor E). Se polarizado na região ativa, a corrente
de coletor e de emissor são versões amplificadas da corrente de base. Para os fins deste projeto
basta-nos saber que o transistor bipolar de junção vai funcionar como um amplificador de
corrente na região ativa valendo as relações:
IC = βIB
IE = IC + IB = (β + 1)IB
(sendo β um ganho da ordem de centenas informado pelo fabricante; depende do nível de
corrente)
VBE = 0,6 a 0,7 volts
(transistores de silício NPN)
Além disto, para operar na região ativa, deve ser observada a seguinte condição:
VCE > VCESAT = 0,2 volts
(transistores de silício NPN)
2) Arquitetura de regulador para fonte de tensão não ajustável
A seguinte arquitetura de regulador, embora forneça uma tensão fixa na saída servirá para o
melhor entendimento da arquitetura do item 3.
IC
+
VS
R1
T1
IB
IE = IO
VBE
+
+
IR1
+
RL
VO
VZ
-
IZ
-
-
VS, tensão de entrada do estágio regulador, é a tensão na saída do retificador filtrado, portanto
apresenta uma ondulação devida à carga e descarga periódicas do capacitor. Consideremos que
VS oscila entre os valores VSmin e VSmáx.
A tensão de saída é:
VO = VZ - VBE
Este valor é aproximadamente constante (varia quase imperceptivelmente com a corrente de
carga IO), mas deve-se observar que, em se desejando uma tensão de saída de 12 volts (por
exemplo), a tensão nominal do zener deve ser um pouco maior (12,6 a 12,7 volts). Uma
alternativa é associar em série ao zener um diodo semicondutor comum com o catodo conectado
ao catodo do zener.Neste caso a queda de tensão no diodo compensa a queda entre a base e
emissor do TBJ.
Para o circuito funcionar corretamente a corrente IZ deve ficar entre os valores IZmin e IZmáx que
limitam a porção linear da característica volt-ampère na região de ruptura, onde o zener pode
operar como regulador (tensão quase constante com a corrente) em segurança (ou seja, sem risco
de se sobreaquecer por efeito Joule). Deve-se recordar que IZmin é a corrente na fronteira do
joelho com a porção linear da curva e que IZmáx = Pmáx/VZ..
I Z = I R1 − I B =
VS − VZ
I
− O
R1
β +1
Piores casos:
(i)
VS = VSmin e IO = IOmáx:
(ii)
VS = VSmáx e IO = 0:
VS min − VZ I Omáx
−
> I Z min
β +1
R1
V
− VZ
I Z = Smáx
< I Zmáx
R1
IZ =
Da condição (i) determina-se o máximo valor de R1 e da condição (ii) determina-se o mínimo
valor de R1. Esta resistência deve ser escolhida entre estes dois valores.
VSmáx deve ser o pico da tensão no secundário do transformador, descontada a queda de tensão
no retificador. VSmin pode ser calculada de forma aproximada (“dente de serra”) conhecendo-se a
constante RC do filtro. Como R (da constante RC) é a representação da carga na saída do
retificador filtrado, pode-se adotar um valor mínimo (pior caso: maior ripple) avaliado de forma
aproximada e bastante conservativa a partir de:
Rmin = VSmin/(IO + IZ)max.
Finalmente, o TBJ só vai funcionar na região ativa se VCE > 0,2 volts, logo:
VSmin – VO > 0,2 volts.
Esta condição pode ser utilizada para dimensionar o capacitor do filtro, juntamente com o ripple.
O ripple r1 na saída do filtro é bem maior que o ripple r2 na saída do regulador. Para este último
existe uma especificação. O coeficiente de estabilização do regulador pode ser utilizado para
calcular r1 a partir do r2 especificado. Na falta de dados para avaliar o coeficiente de
estabilização, pode-se conferir os valores do ripple através de simulação.
3) Arquitetura de regulador para fonte de tensão ajustável
A seguinte arquitetura de regulador é uma sugestão para a implementação da fonte solicitada.
Alernativamente pode-se utilizar retificação de onda completa com dois diodos e transformador
com derivação central ou retificação de meia onda.
IC1
+
VS
R1
T1
IB1
IR1
-
T2
IZ
IE1
VBE1
+
+
VZ + VBE2
-
IO
+
R2
R3
R4
VO
RL
-
Quanto à análise do regulador, a introdução do transistor T2 insere várias alterações.
Desprezando a corrente de base de T2:
VZ + VBE 2 =
R3 + R4
VO
R2 + R3 + R4

R2 
(VZ + VBE 2 )
VO = 1 +
R
R
+
3
4 

O potenciômetro permite o ajuste da tensão de saída. Para limitar a variação, foi acrescentado o
resistor R4 fixo. O valor mínimo da tensão de saída é VZ + VBE2.
O dimensionamento de R1 também é modificado:
I Z = I E2 =
IZ =
β2 + 1
I C 2 ≅ I C 2 = I R 1 − I B1
β2

VS − VO − VBE1
VO
1 

−
+ I O 
R1
β1 + 1  R 2 + R 3 + R 4

Na expressão acima, estamos desprezando a corrente de base de T2, o que é razoável se o ganho
β2 é grande.
Piores casos:
(i)
VS = VSmin, IO = IOmáx e VO = VOmáx:
IZ =
(ii)

VS min − VOmáx − VBE1
VOmáx
1 

−
+ I Omáx  > I Z min
R1
β1 + 1  R 2 + R 3 + R 4

VS = VSmáx, IO = 0 e VO = VOmin:
IZ =
VSmáx − VO min − VBE1
VO min
1 

−
R1
β1 + 1  R 2 + R 3 + R 4

 < I Zmáx

Utilizando-se as condições (i) e (ii) determina-se a faixa adequada de valores para R1.
Para os transistores T1 e T2 operarem na região ativa (VCE1, VCE2 > 0,2 volts), devemos ter:
VSmin – VO > 0,2 volts
VBE1 + VO – VZ > 0,2 volts
As observações relativas a VSmáx e VSmin do item (2) são válidas aqui, exceto que para se avaliar
o valor mínimo da resistência de carga equivalente vista pelo retificador filtrado, pode-se fazer
de forma bastante conservativa:
R min ≅
VS min


VO
 I O +
+ I Z 
R2 + R3 + R4

 máx