Circuitos reguladores de tensão usando transistor e diodo Zener

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Neste artigo, discutiremos de forma abrangente como fazer circuitos reguladores de tensão transistorizados personalizados em modos fixos e também em modos variáveis.

Todos os circuitos de fonte de alimentação linear que são projetados para produzir um Voltagem constante e a saída de corrente basicamente incorpora estágios de transistor e diodo zener para obter as saídas reguladas necessárias.



Esses circuitos que usam peças discretas podem ter a forma de tensão permanentemente fixa ou constante ou tensão de saída ajustável estabilizada.

Regulador de tensão mais simples

Provavelmente o tipo mais simples de regulador de tensão é o estabilizador shunt Zener, que funciona usando um diodo zener básico para a regulagem, conforme demonstrado na Figura abaixo.



Os diodos zener têm uma classificação de tensão equivalente à tensão de saída pretendida, que pode corresponder muito ao valor de saída desejado.

Enquanto a tensão de alimentação estiver abaixo do valor nominal da tensão zener, ela exibe resistência máxima na faixa de muitos megaohms, permitindo que a alimentação passe sem restrições.

No entanto, no momento em que a tensão de alimentação aumenta acima do valor nominal de 'tensão zener', dispara uma queda significativa em sua resistência, fazendo com que a sobretensão seja desviada para o terra através dela, até que a alimentação caia ou alcance o nível de tensão zener.

Devido a esse desvio repentino, a tensão de alimentação cai e atinge o valor zener, o que faz com que a resistência zener aumente novamente. O ciclo então continua rapidamente garantindo que o suprimento permaneça estabilizado no valor zener classificado e nunca seja permitido ir acima deste valor.

Para obter a estabilização acima, a alimentação de entrada precisa ser um pouco maior do que a tensão de saída estabilizada necessária.

O excesso de tensão acima do valor zener faz com que as características internas de 'avalanche' do zener sejam acionadas, causando um efeito de desvio instantâneo e queda do fornecimento até atingir a classificação zener.

Esta ação continua infinitamente garantindo uma tensão de saída estabilizada fixa equivalente à classificação zener.

Vantagens do estabilizador de tensão Zener

Os diodos Zener são muito úteis onde é necessária uma regulação de baixa corrente e tensão constante.

Os diodos Zener são fáceis de configurar e podem ser usados ​​para obter uma saída estabilizada razoavelmente precisa em todas as circunstâncias.

Ele requer apenas um único resistor para configurar um estágio regulador de tensão baseado em diodo zener e pode ser adicionado rapidamente a qualquer circuito para os resultados pretendidos.

Desvantagens dos reguladores estabilizados Zener

Embora uma fonte de alimentação estabilizada Zener seja um método rápido, fácil e eficaz de obter uma saída estabilizada, ela inclui algumas desvantagens sérias.

  • A corrente de saída é baixa, o que pode suportar altas cargas de corrente na saída.
  • A estabilização pode acontecer apenas para diferenciais de entrada / saída baixos. Significa que a alimentação de entrada não pode ser muito alta do que a tensão de saída necessária. Caso contrário, a resistência da carga pode dissipar uma grande quantidade de energia, tornando o sistema muito ineficiente.
  • A operação do diodo Zener é geralmente associada à geração de ruído, que pode afetar criticamente o desempenho de circuitos sensíveis, como projetos de amplificadores de alta fidelidade e outras aplicações vulneráveis ​​semelhantes.

Usando 'Diodo Zener Amplificado'

Esta é uma versão amplificada do zener que usa um BJT para criar um zener variável com capacidade aprimorada de manuseio de energia.

Vamos imaginar que R1 e R2 têm o mesmo valor., O que criaria um nível de polarização suficiente para a base do BJT e permitiria que o BJT conduzisse de maneira ideal. Como o requisito mínimo de tensão direta do emissor de base é 0,7 V, o BJT conduzirá e desviará qualquer valor que estiver acima de 0,7 V ou no máximo 1 V, dependendo das características específicas do BJT usado.

Portanto, a saída será estabilizada em 1 V aproximadamente. A saída de potência deste 'zener variável amplificado' dependerá da potência nominal do BJT e do valor do resistor de carga.

No entanto, esse valor pode ser facilmente alterado ou ajustado para algum outro nível desejado, simplesmente alterando o valor R2. Ou simplesmente substituindo R2 por um pote. A faixa do Pot R1 e R2 pode ser qualquer coisa entre 1K e 47K, para obter uma saída suavemente variável de 1 V ao nível de alimentação (24 V máx.). Para obter mais precisão, você pode aplicar a seguinte fórmula de divisor de volatilidade:

Tensão de saída = 0,65 (R1 + R2) / R2

Desvantagem do Amplificador Zener

Mais uma vez, a desvantagem deste projeto é uma alta dissipação que aumenta proporcionalmente à medida que a diferença de entrada e saída aumenta.

Para definir corretamente o valor do resistor de carga dependendo da corrente de saída e da alimentação de entrada, os dados a seguir podem ser aplicados apropriadamente.

Suponha que a tensão de saída necessária seja 5 V, a corrente necessária seja 20 mA e a entrada de alimentação seja 12 V. Então, usando a lei de Ohms, temos:

Resistor de carga = (12 - 5) / 0,02 = 350 ohms

potência = (12 - 5) x 0,02 = 0,14 watts ou simplesmente 1/4 watt bastará.

Circuito regulador de transistor série

Essencialmente, um regulador em série também chamado de transistor de passagem em série é uma resistência variável criada usando um transistor conectado em série com uma das linhas de alimentação e a carga.

A resistência do transistor à corrente se ajusta automaticamente dependendo da carga de saída, de forma que a tensão de saída permaneça constante no nível desejado.

Em um circuito regulador em série, a corrente de entrada deve ser um pouco maior do que a corrente de saída. Essa pequena diferença é a única magnitude de corrente que é utilizada pelo circuito regulador sozinho.

Vantagens do regulador série

A principal vantagem de um circuito regulador em série em comparação com um regulador do tipo shunt é sua melhor eficiência.

Isso resulta em dissipação mínima de energia e desperdício por meio do calor. Por causa dessa grande vantagem, os reguladores de transistor em série são muito populares em aplicações de reguladores de tensão de alta potência.

No entanto, isso pode ser evitado onde o requisito de energia é muito baixo ou onde a eficiência e a geração de calor não estão entre os problemas críticos.

Circuito Regulador Série

Basicamente, um regulador em série poderia simplesmente incorporar um regulador shunt zener, carregando um circuito buffer seguidor de emissor, conforme indicado acima.

Você pode encontrar um ganho de voltagem unitário sempre que um estágio seguidor de emissor for empregado. Isso significa que, quando uma entrada estabilizada é aplicada à sua base, geralmente obteremos uma saída estabilizada do emissor também.

Como podemos obter um ganho de corrente maior do seguidor de emissor, pode-se esperar que a corrente de saída seja muito maior em comparação à corrente de base aplicada.

Portanto, mesmo quando a corrente de base está em torno de 1 ou 2 mA no estágio de derivação zener, que também se torna o consumo de corrente quiescente do projeto, a corrente de saída de 100 mA pode ser disponibilizada na saída.

A corrente de entrada é adicionada à corrente de saída juntamente com 1 ou 2 mA utilizado pelo estabilizador Zener, e por isso a eficiência alcançada atinge um nível excelente.

Dado que a alimentação de entrada para o circuito é suficientemente nominal para atingir a tensão de saída esperada, a saída pode ser praticamente independente do nível de alimentação de entrada, uma vez que esta é regulada diretamente pelo potencial de base de Tr1.

O diodo zener e o capacitor de desacoplamento desenvolvem uma tensão perfeitamente limpa na base do transistor, que é replicada na saída, gerando um volátil praticamente sem ruído.

Isso permite esse tipo de circuito com a capacidade de fornecer saídas com ondulação e ruído surpreendentemente baixos, sem incluir enormes capacitores de suavização e com uma faixa de corrente que pode ser tão alta quanto 1 ampere ou até mais.

No que diz respeito ao nível de tensão de saída, ele pode não ser exatamente igual à tensão zener conectada. Isso ocorre porque existe uma queda de tensão de aproximadamente 0,65 volts entre os fios base e emissor do transistor.

Consequentemente, essa queda precisa ser deduzida do valor de tensão zener para ser capaz de atingir a tensão de saída mínima do circuito.

Ou seja, se o valor zener for 12,7 V, então a saída no emissor do transistor pode ser em torno de 12 V, ou inversamente, se a tensão de saída desejada for 12 V, então o volatge zener deve ser selecionado para ser 12,7 V.

A regulação deste circuito regulador em série nunca será idêntica à regulação do circuito zener, porque o seguidor de emissor simplesmente não pode possuir impedância de saída zero.

E a queda de tensão no estágio deve aumentar marginalmente em resposta ao aumento da corrente de saída.

Por outro lado, uma boa regulação pode ser esperada quando a corrente zener multiplicada pelo ganho de corrente do transistor atinge no mínimo 100 vezes a corrente de saída mais alta esperada.

Regulador de série de alta corrente usando transistores Darlington

Para conseguir isso com precisão, isso geralmente implica que alguns transistores, podem ser 2 ou 3, devem ser usados ​​para que possamos obter um ganho satisfatório na saída.

Um circuito fundamental de dois transistores aplicando um seguidor de emissor O par de Darlington é indicado nas figuras a seguir e exibe a técnica de aplicação de 3 BJTs em uma configuração Darlington, seguidor de emissor.

Regulador de série de transistores de alta corrente usando transistores Darlington

Observe que, ao incorporar um par de transistores resulta em uma queda maior de tensão na saída de aproximadamente 1,3 volts, passando pela base do 1º transistor até a saída.

Isso se deve ao fato de que aproximadamente 0,65 volts são eliminados de cada um dos transistores. Se um circuito de três transistores for considerado, isso pode significar uma queda de tensão ligeiramente abaixo de 2 volts na base do primeiro transistor e na saída, e assim por diante.

Regulador de tensão de emissor comum com feedback negativo

Uma boa configuração é às vezes vista em projetos específicos com alguns amplificadores emissores comuns , apresentando um feedback negativo líquido de 100 por cento.

Essa configuração é demonstrada na figura a seguir.

Regulador de transistor emissor comum com realimentação negativa

Apesar do fato de que os estágios de emissor comuns normalmente têm um grau substancial de ganho de voltagem, esta pode não ser a situação neste caso.

É por causa do feedback 100% negativo que é colocado no coletor do transistor de saída e no emissor do transistor do driver. Isso facilita o amplificador para obter um ganho de uma unidade exata.

Vantagens do regulador de emissor comum com feedback

Esta configuração funciona melhor em comparação com um Darlington Pair reguladores baseados em seguidor de emissor devido à queda de tensão reduzida nos terminais de entrada / saída.

A queda de tensão obtida a partir desses projetos é de apenas cerca de 0,65 volts, o que contribui para uma maior eficiência e permite que o circuito funcione efetivamente independentemente de a tensão de entrada não estabilizada estar ou não apenas algumas centenas de milivolts acima da tensão de saída esperada.

Eliminador de bateria usando circuito regulador em série

O circuito eliminador de bateria indicado é uma ilustração funcional de um projeto construído usando um regulador de série básico.

Eliminador de bateria usando circuito regulador série transistor

O modelo foi desenvolvido para todas as aplicações que trabalham com 9 volts DC com corrente máxima não superior a 100 mA. Não é apropriado para dispositivos que exigem uma quantidade relativamente maior de corrente.

T1 é um 12 -0 - 12 era um transformador de 100 mA que fornece isolamento de proteção isolado e um redutor de tensão, enquanto seu enrolamento secundário com derivação central opera um retificador push-pull básico com um capacitor de filtro.

Sem carga, a saída será em torno de 18 volts DC, que pode cair para aproximadamente 12 volts com carga total.

O circuito que funciona como um estabilizador de tensão é, na verdade, um projeto do tipo série básica que incorpora R1, D3 e C2 para obter uma saída nominal de 10 V regulada. A corrente zener varia entre cerca de 8 mA sem carga e até cerca de 3 mA com carga total. A dissipação gerada de R1 e D3 como resultado é mínima.

Um seguidor de emissor de par Darlington formado por TR1 e TR2 pode ser visto configurado como o amplificador de buffer de saída fornece um ganho de corrente de cerca de 30.000 na saída total, enquanto o ganho mínimo é 10.000.

Neste nível de ganho, quando a unidade opera usando 3 mA sob corrente de carga total, e um ganho mínimo i exibe quase nenhum desvio na queda de tensão no amplificador, mesmo enquanto a corrente de carga flutua.

A queda real de tensão do amplificador de saída é de aproximadamente 1,3 volts e, com uma entrada moderada de 10 volts, oferece uma saída de aproximadamente 8,7 volts.

Este parece quase igual ao especificado de 9 V, considerando o fato de que mesmo uma bateria real de 9 volts pode apresentar variações de 9,5 V a 7,5 V durante seu período operacional.

Adicionando um Limite de Corrente a um Regulador Série

Para reguladores explicados acima, normalmente torna-se importante adicionar uma proteção de curto-circuito de saída.

Isso pode ser necessário para que o projeto seja capaz de fornecer uma boa regulagem junto com uma baixa impedância de saída. Como a fonte de alimentação é de impedância muito baixa, uma corrente de saída muito alta pode passar na situação de um curto-circuito de saída acidental.

Isso pode fazer com que o transistor de saída, junto com algumas das outras partes, queime imediatamente. Um fusível típico pode simplesmente falhar em oferecer proteção suficiente porque o dano provavelmente ocorreria rapidamente, mesmo antes que o fusível pudesse reagir e explodir.

A maneira mais fácil de implementar isso talvez adicionando um limitador de corrente ao circuito. Isso envolve circuitos suplementares sem qualquer impacto direto no desempenho do projeto em condições normais de trabalho.

No entanto, o limitador de corrente pode fazer com que a tensão de saída caia rapidamente se a carga conectada tentar consumir quantidades substanciais de corrente.

Na verdade, a tensão de saída diminui tão rapidamente que, apesar de ter um curto-circuito colocado na saída, a corrente disponível do circuito é um pouco mais do que sua classificação máxima especificada.

O resultado de um circuito limitador de corrente é comprovado nos dados abaixo, que exibem a tensão de saída e a corrente em relação a uma impedância de carga de redução progressiva, conforme obtido com a unidade Eliminadora de bateria proposta.

O circuito de limitação de corrente funciona usando apenas alguns elementos R2 e Tr3. Sua resposta é realmente tão rápida que simplesmente elimina todos os riscos possíveis de curto-circuito na saída, proporcionando, assim, uma proteção à prova de falhas para os dispositivos de saída. O funcionamento da limitação de corrente pode ser entendido conforme explicado a seguir.

Adicionar um limite de corrente a um regulador de série de transistor

R2 é conectado em série com a saída, o que faz com que a tensão desenvolvida em R2 seja proporcional à corrente de saída. Em consumos de saída atingindo 100 mA, a tensão produzida em R2 não será suficiente para disparar em Tr3, uma vez que é um transistor de silício que requer um potencial mínimo de 0,65 V para ligar.

No entanto, quando a carga de saída excede o limite de 100 mA, ela gera potencial suficiente em T2 para ligar Tr3 adequadamente para a condução. TR3, por sua vez, faz com que alguma corrente fto flua para Trl através do trilho de alimentação negativo através da carga.

Isso resulta em alguma redução da tensão de saída. Se a carga aumentar ainda mais resulta em um aumento proporcional no potencial de aumento de R2, forçando Tr3 a ligar ainda mais forte.

Isso, conseqüentemente, permite que valores maiores de corrente sejam deslocados em direção a Tr1 e a linha negativa em Tr3 e a carga. Essa ação ainda leva a uma queda proporcionalmente crescente da tensão de saída.

Mesmo no caso de um curto-circuito de saída, Tr3 provavelmente será fortemente polarizado em condução, forçando a tensão de saída a cair para zero, garantindo que a corrente de saída nunca ultrapasse a marca de 100 mA.

Fonte de alimentação de bancada regulada variável

Fontes de alimentação estabilizadas de tensão variável funcionam com princípio semelhante aos tipos de reguladores de tensão fixa, mas apresentam um controle de potenciômetro o que facilita uma saída estabilizada com uma faixa de tensão variável.

Esses circuitos são mais adequados como fontes de alimentação de bancada e oficina, embora também possam ser usados ​​em aplicações que exigem diferentes entradas ajustáveis ​​para a análise. Para tais trabalhos, o potenciômetro da fonte de alimentação atua como um controle predefinido que pode ser usado para ajustar a tensão de saída da fonte aos níveis de tensão regulados desejados.

Fonte de alimentação de bancada regulada variável usando regulador de tensão transistorizado

A figura acima mostra um exemplo clássico de um circuito regulador de tensão variável que fornecerá uma saída estabilizada continuamente variável de 0 a 12V.

Principais características

  • A faixa de corrente é limitada a um máximo de 500 mA, embora isso possa aumentar para níveis mais altos atualizando adequadamente os transistores e o transformador.
  • O projeto oferece uma ótima regulagem de oscilação e ruído, que pode ser inferior a 1 mV.
  • A diferença máxima entre a alimentação de entrada e a saída regulada não é mais do que 0,3 V, mesmo com carga total de saída.
  • A fonte de alimentação variável regulada pode ser usada idealmente para testar quase todos os tipos de projetos eletrônicos que exigem fontes reguladas de alta qualidade.

Como funciona

Neste projeto, podemos ver um circuito divisor de potencial incluído entre o estágio do estabilizador zener de saída e o amplificador do buffer de entrada. Este divisor de potencial é criado por VR1 e R5. Isso permite que o braço deslizante do VR1 seja ajustado de um mínimo de 1,4 volts, quando estiver próximo à base de sua trilha, até o nível de zener de 15 V enquanto estiver no ponto mais alto de sua faixa de ajuste.

Existem cerca de 2 volts caídos sobre o estágio do buffer de saída, permitindo uma faixa de tensão de saída de 0 V a cerca de 13 V. Dito isso, a faixa de tensão superior é suscetível a tolerâncias de parte, como a tolerância de 5% na tensão zener. Portanto, a tensão de saída ideal pode ser um pouco mais alta do que 12 volts.

Alguns tipos de eficientes circuito de proteção de sobrecarga pode ser muito importante para qualquer fonte de alimentação de bancada. Isso pode ser essencial, pois a saída pode ser vulnerável a sobrecargas aleatórias e curtos-circuitos.

Empregamos uma limitação de corrente bastante direta no presente projeto, determinada por Trl e seus elementos vinculados. Quando a unidade é operada em condições normais, a tensão produzida em R1, que é conectada em série com a saída de alimentação, é muito pequena para acionar Trl em condução.

Nesse cenário o circuito funciona normalmente, além de uma pequena queda de tensão gerada por R1. Isso quase não produz qualquer efeito sobre a eficiência de regulação da unidade.

Isso ocorre porque o estágio R1 vem antes dos circuitos do regulador. No caso de uma situação de sobrecarga, o potencial induzido em R1 dispara até cerca de 0,65 volts, o que obriga Tr1 a ligar, por conta da corrente de base adquirida da diferença de potencial gerada no resistor R2.

Isso faz com que R3 e Tr 1 desenhem uma quantidade significativa de corrente, fazendo com que a queda de voltagem em R4 aumente substancialmente e a voltagem de saída seja reduzida.

Essa ação restringe instantaneamente a corrente de saída a um máximo de 550 a 600 mA, apesar do curto-circuito na saída.

Uma vez que o recurso de limitação de corrente restringe a tensão de saída a praticamente 0 V.

O R6 é montado como um resistor de carga que basicamente evita que a corrente de saída fique muito baixa e o amplificador de buffer incapaz de funcionar normalmente. C3 permite que o dispositivo atinja uma excelente resposta transitória.

Inconvenientes

Assim como qualquer regulador linear típico, a dissipação de potência em Tr4 é determinada pela tensão e corrente de saída e está no máximo com potenciômetro ajustado para tensões de saída mais baixas e cargas de saída mais altas.

Em circunstâncias mais severas, pode haver possivelmente 20 V induzido em Tr4, fazendo com que uma corrente de cerca de 600 mA flua através dele. Isso resulta em uma dissipação de energia de cerca de 12 watts no transistor.

Para ser capaz de tolerar isso por longos períodos, o dispositivo deve ser instalado em um dissipador de calor bastante grande. O VR1 pode ser instalado com um botão de controle considerável facilitando uma escala calibrada exibindo as marcações de tensão de saída.

Lista de Peças

  • Resistores. (Todos 1/3 watt 5%).
  • R1 1,2 ohms
  • R2 100 ohms
  • R3 15 ohms
  • R4 1k
  • R5 470 ohms
  • R6 10k
  • VR1 4,7k carbono linear
  • Capacitores
  • C1 2200 µF 40V
  • C2 100 µF 25V
  • C3 330 nF
  • Semicondutores
  • Tr1 BC108
  • Tr2 BC107
  • Tr3 BFY51
  • Tr4 TIP33A
  • DI para D4 1N4002 (4 desligado)
  • D5 BZY88C15V (15 volts, 400 mW zener)
  • Transformador
  • T1 padrão principal principal, 17 ou 18 volts, 1 amp
  • secundário
  • Interruptor
  • S1 D.P.S.T. rede rotativa ou tipo de alternância
  • Diversos
  • Caixa, soquetes de saída, placa de circuito, cabo de alimentação, fio,
  • solda etc.

Como parar o superaquecimento do transistor em diferenciais de entrada / saída mais altos

Os reguladores do tipo de transistor de passagem, conforme explicado acima, geralmente encontram a situação de experimentar dissipação extremamente alta aparecendo do transistor regulador em série sempre que a tensão de saída é muito menor do que a alimentação de entrada.

Cada vez que uma alta corrente de saída é acionada em baixa tensão (TTL), pode ser crucial empregar um ventilador de resfriamento no dissipador de calor. Possivelmente, uma ilustração severa pode ser o cenário de uma unidade de fonte especificada para fornecer 5 amperes a 5 e 50 volts.

Este tipo de unidade pode ter normalmente uma alimentação não regulada de 60 volts. Imagine que este dispositivo específico forneça circuitos TTL em toda a sua corrente nominal. O elemento em série do circuito terá que, nesta situação, dissipar 275 watts!

O custo de fornecer resfriamento suficiente parece ser realizado apenas pelo preço do transistor em série. No caso de a queda de tensão sobre o transistor regulador poder ser possivelmente limitada a 5,5 volts, sem depender da tensão de saída preferida, a dissipação pode ser substancialmente diminuída na ilustração acima, isso pode ser 10% do seu valor inicial.

Isso pode ser feito empregando-se três partes semicondutoras e um par de resistores (figura 1). Veja como isso funciona exatamente: o tiristor Thy pode ser condutor normalmente através de R1.

No entanto, uma vez que a queda de tensão em T2 - o regulador em série vai além de 5,5 volts, T1 começa a conduzir, resultando no tiristor 'aberto' no cruzamento de zero subsequente da saída da ponte retificadora.

Essa sequência de trabalho específica controla constantemente a carga alimentada por C1 - o capacitor do filtro - para que a alimentação não regulada seja fixada em 5,5 volts sobre a tensão de saída regulada. O valor de resistência necessário para R1 é determinado da seguinte forma:

R1 = 1,4 x Vsec - (Vmin + 5) / 50 (o resultado será em k Ohm)

onde Vsec indica a tensão RMS secundária do transformador e Vmin significa o valor mínimo da saída regulada.

O tiristor deve ser competente para suportar a corrente de pico de ondulação e sua tensão de funcionamento deve ser de no mínimo 1,5 Vseg. O transistor regulador em série deve ser especificado para suportar a corrente de saída mais alta, Imax, e deve ser montado em um dissipador de calor onde pode dissipar 5,5 x Isec watts.

Conclusão

Neste artigo, aprendemos como construir circuitos reguladores de tensão linear simples usando transistor de passagem em série e diodo zener. Fontes de alimentação estabilizadas lineares nos fornecem opções bastante fáceis para criar saídas estabilizadas fixas usando um número mínimo de componentes.

Em tais projetos, basicamente um transistor NPN é configurado em série com linha de alimentação de entrada positiva em um modo de emissor comum. A saída estabilizada é obtida através do emissor do transistor e da linha de alimentação negativa.

A base do transistor é configurada com um circuito de grampo zener ou um divisor de tensão ajustável que garante que a tensão do lado do emissor do transistor replique de perto o potencial da base na saída do emissor do transistor.

Se a carga for uma carga de alta corrente, o transistor regula a tensão para a carga, causando um aumento em sua resistência e, assim, garante que a tensão para a carga não exceda o valor fixo especificado conforme definido por sua configuração básica.




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