Circuitos Limitadores de Corrente da Fonte de Alimentação
Técnicas de limitador de corrente e circuitos usando diodos e transistores para fornecer uma função de limitador de corrente para fontes de alimentação e outros circuitos.
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O tutorial dos circuitos da fonte de alimentação incluem:
Fonte de alimentação linear | Regulador de derivação | Regulador de série | Limitador de corrente | Reguladores das séries 7805, 7812 e 78| Reguladores de Tensão LM317
O tutorial dos circuitos da fonte de alimentação incluem:
Visão geral dos circuitos de alimentação | Fonte de alimentação linear | Fonte de alimentação do modo de comutação | Suavização do capacitor | Circuitos retificadores AC | Circuitos reguladores de tensão | Circuito regulador de tensão Zener | Proteção contra sobretensão | Especificações da fonte de alimentação | O que é um Fonte de Alimentação | Barramento de gerenciamento de energia: PMbus | Fonte de energia ininterrupta
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Os circuitos limitadores de corrente são fundamentais para as fontes de alimentação, protegendo-as em caso de curto-circuito ou outra condição de sobrecarga.
Tendo em vista os possíveis danos a uma fonte de alimentação em casos de sobrecarga, quase sempre são instalados limitadores de corrente, sendo um recurso padrão incorporado aos CIs de fonte de alimentação regulados.
Como o nome sugere, o circuito limitador de corrente limita a corrente da fonte de alimentação regulada a um valor máximo determinado pelo circuito e, desta forma, danos graves aos circuitos, tanto a fonte de alimentação quanto o circuito que está sendo alimentado, podem ser evitados.
Esses circuitos são mais aplicáveis a fontes de alimentação lineares, embora técnicas de detecção semelhantes possam ser usadas em fontes de alimentação comutadas.
TIPOS DE LIMITAÇÃO DE CORRENTE
Como acontece com qualquer tecnologia e tipo de circuito eletrônico, existem algumas opções para escolher e as escolhas precisam ser feitas dependendo dos requisitos específicos para o projeto do circuito eletrônico.
O mesmo vale para os limitadores de corrente usados em fontes de alimentação reguladas, onde os circuitos limitadores de corrente se enquadram em categorias específicas.
Existem dois tipos principais de circuito limitador de corrente:
Limitação de corrente constante:
Usando a limitação de corrente constante, a tensão de saída é mantida à medida que a corrente aumenta até atingir um ponto em que um máximo é atingido. Nesse ponto, a corrente se mantém nesse nível enquanto a tensão cai com o aumento da carga.
Esta é a forma mais básica de limitação de corrente usada em fontes de alimentação reguladas. O circuito é simples e usa apenas alguns componentes eletrônicos, mas não reduz a corrente no caso de um curto-circuito – é mantido no nível máximo e isso pode causar danos no circuito.
Uma das desvantagens é que quando a limitação de corrente começa a operar, a corrente máxima é consumida, mas neste ponto a tensão de saída cai, o que significa que o transistor de passagem em série na fonte de alimentação regulada tem uma tensão aumentada através dele. Isso aumenta a dissipação de energia dentro do dispositivo.
No ponto em que a tensão de saída é quase zero, a corrente máxima é desenhada enquanto a tensão através dela é aquela da tensão de entrada total dos circuitos de suavização e retificação. Isso não é ideal porque no estágio de projeto do circuito eletrônico, é necessário fazer concessões para isso, exigindo, possivelmente, um transistor de passagem em série maior, bem como capacidade adicional de dissipador de calor, adicionando custo e tamanho adicionais à fonte de alimentação regulada.
Limitação de corrente dobrável:
Neste tipo de limitação de corrente utilizada em fontes reguladas, a tensão de saída é mantida até o ponto em que a limitação de corrente começa a entrar em ação. Neste ponto, em vez de apenas limitar a corrente, a corrente realmente começa a diminuir. Desta forma, a corrente é reduzida quanto maior a sobrecarga e, assim, o risco de danos é reduzido.
A limitação de corrente de retrocesso em um regulador de tensão reduz o consumo de energia, porque à medida que a sobrecarga aumenta, a corrente se dobra e o consumo geral de energia cai, mantendo a dissipação de calor do transistor de passagem em série dentro de limites mais razoáveis.
Embora um pouco mais complicado em sua abordagem, a limitação de corrente de foldback pode ser implementada usando relativamente poucos componentes eletrônicos. Como o recurso é normalmente incorporado em circuitos integrados de fontes de alimentação reguladas, o custo adicional do uso da limitação de realimentação em relação à limitação de corrente constante não é perceptível. Consequentemente, a limitação de corrente de realimentação é praticamente sempre usada nesses CIs.
Um limitador foldback adiciona complexidade à fonte de alimentação linear, pois requer mais componentes eletrônicos do que um simples limitador de corrente constante. Existe também a possibilidade de uma condição conhecida como “bloqueio” com dispositivos não ôhmicos que consomem uma corrente constante independente da tensão de alimentação. Um limitador de corrente foldback também pode incorporar um atraso transitório para ajudar a evitar o problema de bloqueio.
As duas formas diferentes de limitação de corrente de fonte de alimentação linear tendem a ser usadas em áreas diferentes, o tipo real usado para qualquer aplicação é escolhido durante a fase de projeto do circuito eletrônico de um projeto.
CIRCUITO BÁSICO DE LIMITAÇÃO DE CORRENTE CONSTANTE
Existem vários circuitos que podem ser usados para limitação de corrente constante para proteção da fonte de alimentação, mas um dos circuitos mais simples usa apenas três componentes eletrônicos: dois diodos e um resistor.
O circuito para o limitador de corrente da fonte de alimentação usa um resistor sensor colocado em série com o emissor do transistor de passagem de saída. Dois diodos colocados entre a saída do circuito e a base do transistor de passagem fornecem a ação de limitação de corrente.
Quando o circuito está operando dentro de sua faixa de operação normal, existe uma pequena tensão no resistor em série. Esta tensão mais a tensão do emissor de base do transistor é menor do que as duas quedas de junção de diodo necessárias para ligar os dois diodos para permitir que eles conduzam a corrente. No entanto, à medida que a corrente aumenta, também aumenta a tensão no resistor.
Quando é igual à tensão de ativação de um diodo, a tensão no resistor mais a queda na junção do emissor de base para o transistor é igual a duas quedas de diodo e, como resultado, essa tensão aparece nos dois diodos, que começam a conduzir. Isso começa a puxar a tensão na base do transistor para baixo, limitando assim a corrente que pode ser extraída.
O circuito deste limitador de corrente de diodo para uma fonte de alimentação linear é particularmente simples e, portanto, o design do circuito eletrônico também é muito simples.
O valor do resistor em série pode ser calculado de modo que a tensão sobre ele suba para 0,6 volts (a tensão de ativação de um diodo de silício) quando a corrente máxima for atingida. No entanto, é sempre melhor garantir que haja alguma margem em mãos, limitando a corrente do regulador de fonte de alimentação simples antes que o nível máximo absoluto seja atingido.
REGULADOR DE FONTE DE ALIMENTAÇÃO LINEAR DE DOIS TRANSISTORES COM LIMITAÇÃO DE CORRENTE
A mesma forma simples de diodo de limitação de corrente pode ser incorporada em circuitos de fonte de alimentação linear que usam feedback para detectar a tensão de saída real e fornecer uma saída regulada com mais precisão. Se o ponto de detecção de tensão de saída for obtido após o resistor de detecção de corrente em série, a queda de tensão através dele pode ser corrigida na saída.
CIRCUITO LIMITADO DE CORRENTE DE REALIMENTAÇÃO DO TRANSISTOR
O circuito limitador de corrente foldback oferece um desempenho muito melhor do que o limitador de corrente constante comum usado nas aplicações de fonte de alimentação mais básicas.
O circuito foldback usa mais alguns componentes eletrônicos, incluindo um transistor e alguns resistores, mas oferece uma proteção muito melhor para a fonte de alimentação e os circuitos que estão sendo alimentados.
O circuito funciona porque, à medida que a carga aumenta, uma proporção crescente da tensão entre o emissor e o terra cai no resistor R3 – à medida que a carga se torna menor, o efeito divisor de potencial significa que mais tensão cai no R3.
Um ponto é alcançado quando o transistor Tr3 começa a ligar. Quando isso acontece, começa a limitar a corrente.
Se a resistência da carga se tornar menor, a tensão em R3 aumenta, ativa mais Tr3 e isso reduz ainda mais a corrente, dobrando o nível de corrente fornecido.
Existem algumas equações que podem ser usadas para determinar os valores-chave do circuito para fornecer a corrente máxima necessária para o regulador de tensão linear e também o nível de corrente de retorno em um curto-circuito.
Para a corrente máxima do regulador de tensão linear:
Para a corrente de curto-circuito do regulador de tensão linear:
A razão entre a corrente máxima e a corrente de curto-circuito é:
Onde:
I max = corrente máxima do regulador de tensão antes da limitação de corrente
V BE = tensão para o transistor começar a ligar – normalmente 0,6V
V reg = tensão regulada de saída
I SC = corrente fornecida quando um curto-circuito está presente.
Tendo em vista que o ponto de detecção do regulador ocorre após o resistor de detecção de corrente, qualquer queda de tensão no resistor não afetará a tensão de saída do circuito, pois isso será compensado pelo regulador. (Isso pressupõe que há tensão suficiente no transistor de passagem em série para que ele regule corretamente.) Dessa forma, o resistor sensor de corrente não causará nenhuma redução na saída de tensão do circuito regulador da fonte de alimentação.
O circuito limitador de corrente da fonte de alimentação pode ser incorporado em uma variedade de circuitos diferentes usando transistores e FETs como elemento de passagem em série. Amplificadores operacionais podem ser usados como amplificadores diferenciais para fornecer a unidade de referência de tensão necessária para os dispositivos de saída.
O principal problema com a limitação de corrente dobrável é que ela nem sempre funciona bem com cargas não lineares. Por exemplo, se fosse acionar uma lâmpada incandescente, onde a resistência quando fria é muito menor do que quando quente, o regulador de tensão com limitador de corrente veria uma resistência muito baixa e entraria no fold-back, não permitindo a lâmpada para aquecer e iniciar. Cargas indutivas podem encontrar problemas semelhantes – motores, etc., têm uma grande corrente de partida. Isso significa que a limitação de corrente de reversão básica não é adequada para esses tipos de carga na maioria dos casos.
A limitação de corrente é uma característica chave de todas as fontes de alimentação. Com os dispositivos eletrônicos sendo alimentados quase permanentemente e muitas vezes deixados sem vigilância, recursos de segurança como limitação de corrente são essenciais em fontes de alimentação lineares, bem como fontes de alimentação comutadas.
Felizmente, a limitação de corrente é fácil de implementar e não requer a incorporação de muitos componentes eletrônicos adicionais e, se contido em um circuito integrado, o custo adicional não é perceptível.
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