Fontes de Alimentação Reguladas e Estabilizadas

Versão 1.2.1  10.12.12
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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.
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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
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(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
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(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
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(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
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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
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(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
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(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
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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
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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
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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