Circuitos Eletrônicos - Reguladores

A próxima e última etapa antes da carga, em um sistema de alimentação, é a parte Regulador. Vamos agora tentar entender o que é um regulador e o que ele faz.

A parte da eletrônica que lida com o controle e conversão de energia elétrica pode ser denominada como Power Electronics. Um regulador é um dispositivo importante quando se trata de eletrônica de potência, pois controla a saída de potência.

Necessidade de um regulador

Para que uma fonte de alimentação produza uma tensão de saída constante, independentemente das variações da tensão de entrada ou das variações da corrente de carga, é necessário um regulador de tensão.

UMA voltage regulatoré um dispositivo que mantém a tensão de saída constante, ao invés de qualquer tipo de flutuação na tensão de entrada sendo aplicada ou quaisquer variações na corrente, puxada pela carga. A imagem a seguir dá uma ideia da aparência de um regulador prático.

Tipos de reguladores

Os reguladores podem ser classificados em diferentes categorias, dependendo de seu funcionamento e tipo de conexão.

Depending upon the type of regulation, os reguladores são divididos principalmente em dois tipos, a saber, reguladores de linha e de carga.

Line Regulator - O regulador que regula a tensão de saída para ser constante, apesar das variações da linha de entrada, é chamado de Line regulator.
Load Regulator - O regulador que regula a tensão de saída para que seja constante, apesar das variações de carga na saída, é denominado como Load regulator.

Depending upon the type of connection, existem dois tipos de reguladores de tensão. Eles são

Regulador de tensão série
Regulador de tensão shunt

A disposição deles em um circuito será exatamente como nas figuras a seguir.

Vejamos outros tipos de reguladores importantes.

Regulador de tensão Zener

Um regulador de tensão Zener é aquele que usa diodo Zener para regular a tensão de saída. Já discutimos os detalhes sobre o diodo Zener no tutorial BASIC ELECTRONICS.

Quando o diodo Zener é operado na avaria ou Zener region, a voltagem através dele é substancialmente constant para large change of currentatravés dele. Esta característica torna o diodo Zener umgood voltage regulator.

A figura a seguir mostra a imagem de um regulador Zener simples.

A tensão de entrada aplicada $ V_i $ quando aumentada além da tensão Zener $ V_z $, então o diodo Zener opera na região de ruptura e mantém a tensão constante na carga. O resistor de limitação em série $ R_s $ limita a corrente de entrada.

Funcionamento do regulador de tensão Zener

O diodo Zener mantém a tensão constante apesar das variações de carga e das flutuações de tensão de entrada. Portanto, podemos considerar 4 casos para entender o funcionamento de um regulador de tensão Zener.

Case 1- Se a corrente de carga $ I_L $ aumentar, então a corrente pelo diodo Zener $ I_Z $ diminui para manter a corrente pelo resistor em série $ R_S $ constante. A tensão de saída Vo depende da tensão de entrada Vi e da tensão no resistor em série $ R_S $.

Isso pode ser escrito como

$$ V_o = V_ {in} -IR_ {s} $$

Onde $ I $ é constante. Portanto, $ V_o $ também permanece constante.

Case 2- Se a corrente de carga $ I_L $ diminuir, então a corrente através do diodo Zener $ I_Z $ aumenta, pois a corrente $ I_S $ através do resistor da série RS permanece constante. Embora a corrente $ I_Z $ através do diodo Zener aumente, ele mantém uma tensão de saída constante $ V_Z $, que mantém a tensão de carga constante.

Case 3- Se a tensão de entrada $ V_i $ aumenta, então a corrente $ I_S $ através do resistor em série RS aumenta. Isso aumenta a queda de tensão no resistor, ou seja, $ V_S $ aumenta. Embora a corrente no diodo Zener $ I_Z $ aumente com isso, a tensão no diodo Zener $ V_Z $ permanece constante, mantendo a tensão de carga de saída constante.

Case 4- Se a tensão de entrada diminuir, a corrente através do resistor em série diminui, o que faz com que a corrente através do diodo Zener $ I_Z $ diminua. Mas o diodo Zener mantém a tensão de saída constante devido à sua propriedade.

Limitações do regulador de tensão Zener

Existem algumas limitações para um regulador de tensão Zener. Eles são -

É menos eficiente para correntes de carga pesada.
A impedância Zener afeta ligeiramente a tensão de saída.

Portanto, um regulador de tensão Zener é considerado eficaz para aplicações de baixa tensão. Agora, vamos examinar os outros tipos de reguladores de tensão, que são feitos com transistores.

Regulador de tensão série transistor

Este regulador possui um transistor em série ao regulador Zener e ambos em paralelo à carga. O transistor funciona como um resistor variável que regula a tensão do emissor do coletor para manter a tensão de saída constante. A figura abaixo mostra o regulador de tensão em série do transistor.

Com as condições de operação de entrada, a corrente através da base do transistor muda. Isso afeta a tensão na junção do emissor de base do transistor $ V_ {BE} $. A tensão de saída é mantida pela tensão Zener $ V_Z $ que é constante. Como ambos são mantidos iguais, qualquer mudança na alimentação de entrada é indicada pela mudança na tensão de base do emissor $ V_ {BE} $.

Portanto, a tensão de saída Vo pode ser entendida como

$$ V_O = V_Z + V_ {BE} $$

Funcionamento do regulador de tensão da série do transistor

O funcionamento de um regulador de tensão em série deve ser considerado para variações de entrada e carga. Se a tensão de entrada aumenta, a tensão de saída também aumenta. Mas isso, por sua vez, faz com que a tensão na junção da base do coletor $ V_ {BE} $ diminua, já que a tensão Zener $ V_Z $ permanece constante. A condução diminui à medida que a resistência na região do coletor do emissor aumenta. Isto aumenta ainda mais a tensão através da junção coletor-emissor VCE, reduzindo assim a tensão de saída $ V_O $. Isso será semelhante quando a tensão de entrada diminuir.

Quando ocorrem as mudanças de carga, ou seja, se a resistência da carga diminui, aumentando a corrente de carga $ I_L $, a tensão de saída $ V_O $ diminui, aumentando a tensão de base do emissor $ V_ {BE} $.

Com o aumento da tensão de base do emissor $ V_ {BE} $ a condução aumenta reduzindo a resistência do coletor do emissor. Isso, por sua vez, aumenta a corrente de entrada que compensa a diminuição da resistência da carga. Isso será semelhante quando a corrente de carga aumentar.

Limitações do regulador de tensão da série do transistor

Os reguladores de tensão da série transistor têm as seguintes limitações -

As tensões $ V_ {BE} $ e $ V_Z $ são afetadas pelo aumento da temperatura.
Nenhuma boa regulação para altas correntes é possível.
A dissipação de energia é alta.
A dissipação de energia é alta.
Menos eficiente.

Para minimizar essas limitações, o regulador shunt transistorizado é usado.

Regulador de tensão de derivação do transistor

Um circuito regulador shunt transistorizado é formado conectando-se um resistor em série com a entrada e um transistor cuja base e coletor são conectados por um diodo Zener que regula, ambos em paralelo com a carga. A figura abaixo mostra o diagrama de circuito de um regulador shunt transistorizado.

Funcionamento do regulador de tensão de derivação do transistor

Se a tensão de entrada aumentar, $ V_ {BE} $ e $ V_O $ também aumentam. Mas isso acontece inicialmente. Na verdade, quando $ V_ {in} $ aumenta, o $ I_ {in} $ atual também aumenta. Essa corrente, quando flui pelo RS, causa uma queda de tensão $ V_S $ no resistor em série, que também aumenta com $ V_ {in} $. Mas isso faz com que $ V_o $ diminua. Agora, esta diminuição em $ V_o $ compensa o aumento inicial mantendo-o constante. Portanto, $ V_o $ é mantido constante. Se a tensão de saída diminuir, o inverso acontece.

Se a resistência da carga diminuir, deve haver diminuição na tensão de saída $ V_o $. A corrente através da carga aumenta. Isso faz com que a corrente de base e a corrente de coletor do transistor diminuam. A tensão no resistor em série torna-se baixa, pois a corrente flui fortemente. A corrente de entrada será constante.

A tensão de saída exibida será a diferença entre a tensão aplicada $ V_i $ e a queda de tensão em série $ V_s $. Conseqüentemente, a tensão de saída será aumentada para compensar a diminuição inicial e, portanto, mantida constante. O inverso acontece se a resistência da carga aumentar.

Reguladores IC

Reguladores de tensão estão agora disponíveis na forma de circuitos integrados (ICs). Em resumo, são chamados de Reguladores IC.

Junto com a funcionalidade de um regulador normal, um regulador IC tem propriedades como compensação térmica, proteção contra curto-circuito e proteção contra sobretensão que são incorporadas ao dispositivo.

Tipos de reguladores IC

Os reguladores IC podem ser dos seguintes tipos -

Reguladores de tensão positiva fixa
Reguladores de tensão negativa fixa
Reguladores de tensão ajustáveis
Reguladores de tensão de rastreamento duplo

Vamos agora discuti-los em detalhes.

Regulador de tensão positiva fixa

A saída desses reguladores é fixada em um valor específico e os valores são positivos, o que significa que a tensão de saída fornecida é positiva.

A série mais usada é a série 7800 e os ICs serão como IC 7806, IC 7812 e IC 7815 etc. que fornecem + 6v, + 12v e + 15v, respectivamente, como tensões de saída. A figura abaixo mostra o IC 7810 conectado para fornecer uma tensão de saída regulada positiva fixa de 10 V.

Na figura acima, o capacitor de entrada $ C_1 $ é usado para evitar oscilações indesejadas e o capacitor de saída $ C_2 $ atua como um filtro de linha para melhorar a resposta a transientes.

Regulador de tensão negativa fixa

A saída desses reguladores é fixada em um valor específico e os valores são negativos, o que significa que a tensão de saída fornecida é negativa.

A série mais usada é a série 7900 e os ICs serão como IC 7906, IC 7912 e IC 7915 etc. que fornecem -6v, -12v e -15v respectivamente como tensões de saída. A figura abaixo mostra o IC 7910 conectado para fornecer uma tensão de saída regulada negativa fixa de 10 V.

Na figura acima, o capacitor de entrada $ C_1 $ é usado para evitar oscilações indesejadas e o capacitor de saída $ C_2 $ atua como um filtro de linha para melhorar a resposta a transientes.

Reguladores de tensão ajustável

Um regulador de tensão ajustável possui três terminais IN, OUT e ADJ. Os terminais de entrada e saída são comuns, enquanto o terminal ajustável é fornecido com um resistor variável que permite que a saída varie em uma ampla faixa.

A figura acima mostra uma fonte de alimentação não regulada acionando um regulador IC ajustável LM 317 que é comumente usado. O LM 317 é um regulador de tensão ajustável positivo de três terminais e pode fornecer 1,5 A de corrente de carga em uma faixa de saída ajustável de 1,25 V a 37 V.

Reguladores de tensão de rastreamento duplo

Um regulador de rastreamento duplo é usado quando as tensões de alimentação divididas são necessárias. Eles fornecem tensões de saída positivas e negativas iguais. Por exemplo, o RC4195 IC fornece saídas DC de + 15v e -15v. Isso precisa de duas tensões de entrada não reguladas, como a entrada positiva pode variar de + 18 V a +30 V e a entrada negativa pode variar de -18 V a -30 V.

A imagem acima mostra um regulador de IC RC4195 de rastreamento duplo. Os reguladores ajustáveis dual-tacking também estão disponíveis, cujas saídas variam entre dois limites nominais.