PROJETO DE UM REGULADOR DE TENSÃO SHUNT CC

PROJETO DE UM REGULADOR DE TENSÃO SHUNT CC:
IMPLEMENTAÇÃO PRÁTICA E SIMULAÇÃO NO LTSPICE (1)
Philipe Rangel de Souza (2), Paulo Cezar Piovesan Vianna (3),
Guilherme Sebastião da Silva(4)
(1) Projeto
desenvolvido na disciplina de Eletrônica de Básica do Curso de Engenharia Elétrica;
do curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Pampa, Alegrete, RS, [email protected];
(3) Aluno do curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Pampa, Alegrete, RS, [email protected];
(4) Orientador, Universidade Federal do Pampa, [email protected];
(2) Aluno
Palavras-Chave: Regulador de tensão shunt, semicondutores, diodo zener, transistores.
INTRODUÇÃO
Um aspecto de fundamental importância e que está diretamente relacionado com a qualidade do
fornecimento de energia elétrica ao atender a demanda é a manutenção do nível de tensão no fornecimento
de energia à determinados dispositivos eletrônicos. Dessa forma, um nível de tensão inadequado pode ser
verificado através de surtos e afundamentos de tensão, o que pode prejudicar o funcionamento e,
consequentemente, reduzir o tempo de funcionamento de cargas susceptíveis à tais variações.
Com o passar dos anos, foram surgindo novos perfis de carga para as classes consumidoras
residencial, comercial e industrial, impulsionados pelo avanço da tecnologia e da eletrônica de potência, com
o principal objetivo de substituir os dispositivos eletromecânicos por eletrônicos e aumentar a eficiência dos
sistemas elétricos. Sendo assim, houve o aumento da vida útil dos equipamentos elétricos e eletrônicos com
a utilização de chaves estáticas semicondutoras em vez de chaves que possuem contatos eletromecânicos.
Nesse âmbito, há cargas compostas de dispositivos eletrônicos semicondutores que são sensíveis a
variação do nível de tensão como, por exemplo, circuitos integrados digitais. Esta variação de tensão pode
ocorrer na fonte de alimentação, que é tradicionalmente utilizada em circuitos eletrônicos, e influenciar na
qualidade da tensão de saída aplicada à carga. Ao utilizar um regulador de tensão entre a fonte e a carga,
pode-se manter a tensão produzida pela fonte dentro dos limites necessários para o bom funcionamento do
dispositivo que está sendo alimentado. Isso é possível através da implementação circuitos reguladores com
o uso de semicondutores, tais como o diodo zener e os transistores. O diodo zener opera na região de ruptura,
produzindo uma tensão na saída igual à tensão zener e atua como um dispositivo de referência (Louiz, 2015).
Circuitos com transistores tem a função de limitar a corrente elétrica e são capazes de diversificar as tensões
na carga, a partir das diversas formas de polarização nos terminais (base, coletor e emissor) e também ao
controlar a passagem de corrente entre o coletor e o emissor através da base (Malvino, 2004).
Portanto, este trabalho aborda o projeto de um regulador de tensão em corrente continua (CC) shunt
ou também conhecido como regulador em derivação com os resultados teóricos e práticos, obtidos tabelados
através da montagem do circuito elétrico em bancada experimental e utilizando o software LTspice.
METODOLOGIA
A configuração de polarização fixa foi empregada devido a sua simples aplicação, para a
implementação do transistor de junção bipolar npn BC548b, do diodo zener 1N3747 e das resistências no
circuito elétrico. O transistor, associado as resistências, exerce a função de limitador da corrente elétrica, ao
controlar a passagem da mesma entre o coletor e o emissor através da base. Enquanto, o diodo zener a de
regulador da tensão da fonte de alimentação, o qual mantém o valor de tensão projetado na saída para uma
determinada faixa de tensão de entrada.
Desse modo, o regulador de tensão shunt CC foi projetado para manter uma tensão de saída de 8,2 V
e, por sua vez, apenas regula tensões aplicadas a sua entrada acima desta tensão de projeto. Além disso, o
mesmo foi implementado na prática e simulado no software LTspice. E para isso, fixou-se a tensão V1 em 18
V e a tensão V2 em 10.7 V, a fim de obter uma corrente de base igual a 10 µA, tendo como resultado uma
resistência de base (RB) igual a 1 MΩ. Já a resistência de coletor (RC) foi determinada por meio da análise
da reta de carga, na qual considera-se uma malha fechada entre a tensão V1, a tensão do diodo (VZ), a
tensão entre coletor e emissor (VCE) e a resistência do coletor (RC), resultando em RC igual a 23,16 kΩ
(Boylestad, 2004). E a resistência de saída (RL), de 120 kΩ, foi calculada através da potência de saída fixada
em 560 µW.
Dessa forma, para o mesmo nível de tensão de entrada aplicado, foram medidos na saída do regulador
7,8 V na prática, gerado pelo osciloscópio, em laboratório, e 8,0 V na simulação no software LTspice. A tabela
Anais do 8º Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
1 mostra os componentes utilizados, bem como suas quantidades para o circuito elétrico da figura 1.
Tabela 1 – Componentes e fotos do circuito.
Componentes
Fotos
2 Fontes CC ajustável (0-20 V)
Transistor TJB, modelo BC548b
Diodo Zener 1N3747
4 Resistores de (1 KΩ, 22 KΩ, 120
KΩ e 1 MΩ)
Matriz de contatos (Protoboard)
Osciloscópio
Condutores
Multímetros
Fonte: Elaborado pelos autores.
Figura 1 - Circuito do regulador.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Inicialmente as retas da figura 2 mostram que para tensões de entrada da fonte variável superiores a
10 V e inferiores a 20 V, o regulador shunt é capaz de aplicar a saída da carga a tensão fixa em 8,2 V, conforme
a característica própria de elemento semicondutor que foi empregado. Nota-se também que as curvas em
vermelho e preto apenas se aproximam para as diferentes tensões de alimentação. Isto ocorre devido às
perdas resistivas nos componentes do circuito implementado em bancada.
Através das figuras 2 (b) e 2(c) observa-se que apenas a curva de tensão de entrada se desloca para
um valor superior, mantendo-se a tensão na carga no mesmo ponto. Dessa forma, o regulador atua de forma
desejável apenas entre faixas pontilhadas das figuras.
As deformações nos sinais provenientes do osciloscópio, devem-se à ausência de filtragem durante as
medições de tensão junto aos equipamentos.
(a)
(b)
(c)
Figura 2 – Comparação das Tensões CC entre Osciloscópio e LTspice.
CONCLUSÕES
A partir da implementação do regulador de tensão shunt CC projetado, constatou-se que para o mesmo
nível de tensão aplicado a sua entrada, obteve-se o valor de tensão prático de 7,8 V de regulação da tensão
de saída e 8 V por meio da simulação no software LTspice, demonstrando resultados satisfatórios e, dessa
forma, confirmando o bom funcionamento do regulador, visto que os cálculos foram realizados para atingir
uma tensão a ser mantida na saída de 8,2 V.
É importante ressaltar que este projeto foi realizado para cargas com potências muito baixas. Para a
projeção visando atender potências elevadas, é necessário um estudo mais especifico devido à complexidade
de implementação de um regulador de tensão, bem como a aquisição de outros componentes e materiais.
Pode-se obter melhores resultados com este regulador, atenuando as perdas do circuito através de sua
implementação em placas eletrônicas impressas em vez de matriz de contatos (Protoboard).
REFERÊNCIAS
E. Louiz, JR. Frenzel. Eletrônica Moderna. 1ª ed. 2015.
A. P. Malvino. Eletrônica. 4ª ed. Vol. 1. São Paulo, 2004.
R. L. Boylestad, L. Nashelsky. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Prentice Hall, 2004.
Anais do 8º Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa