Projeto de Circuito Regulador de Tensão Linear: Reguladores de Passagem em Série
O regulador em série ou regulador de passagem em série é a forma mais utilizada de regulador de tensão em fontes de alimentação lineares.
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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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O regulador de tensão em série ou como às vezes é chamado de regulador de passagem em série é a abordagem mais comumente usada para fornecer a regulação de tensão final em uma fonte de alimentação regulada linear.
O regulador linear série oferece um alto nível de desempenho, especialmente quando são necessários baixos ruídos, oscilações e transientes na saída regulada.
Existe uma boa variedade de circuitos usando componentes eletrônicos discretos que fornecem regulação linear com um elemento de passagem em série e, além disso, praticamente todos os CIs reguladores lineares usam essa abordagem.
Isso significa que existem muitas opções para reguladores de tensão em série que estão abertos ao realizar o projeto do circuito eletrônico de uma fonte de alimentação.
NOÇÕES BÁSICAS DO REGULADOR DE TENSÃO DA SÉRIE
O regulador de tensão em série ou regulador de tensão de passagem em série utiliza um elemento variável colocado em série com a carga. Ao alterar a resistência do elemento em série, a queda de tensão sobre ele pode ser variada para garantir que a tensão na carga permaneça constante.
A vantagem do regulador de tensão em série é que a quantidade de corrente consumida é efetivamente aquela usada pela carga, embora alguma seja consumida por qualquer circuito associado ao regulador. Ao contrário do regulador de tensão shunt, o regulador série não consome a corrente total, mesmo quando a carga não requer nenhuma corrente. Como resultado, o regulador de tensão em série é consideravelmente mais eficiente.
Em vez de extrair a corrente não exigida pela carga para manter a tensão, ela diminui a diferença de tensão entre a tensão de entrada e a tensão estabilizada necessária.
Para manter um nível suficiente de regulação e rejeição de ruído e transientes que possam estar na tensão de entrada, os reguladores de tensão linear em série precisam reduzir uma tensão significativa. Muitos reguladores de tensão de alta qualidade, baixo ruído e ondulação precisam de vários volts no elemento regulador em série. Isso significa que níveis significativos de energia podem ser dissipados neste componente, e um bom dissipador de calor e capacidade de remoção de calor são necessários para o dispositivo regulador de passagem em série e também para a fonte de alimentação como um todo.
Embora um regulador em série seja consideravelmente mais eficiente que um regulador shunt, é consideravelmente menos eficiente que uma fonte de alimentação comutada. A eficiência de um regulador de tensão em série e de qualquer fonte de alimentação linear que os utilize dependerá da carga, etc., mas geralmente são alcançados níveis de eficiência inferiores a 50%, enquanto as fontes de alimentação comutadas podem atingir níveis superiores a 90%.
Os reguladores de tensão da série têm níveis relativamente baixos de eficiência quando comparados a uma fonte de alimentação comutada, mas têm as vantagens da simplicidade e também sua saída é livre dos picos de comutação vistos em algumas fontes de modo chaveado, embora os SMPSs estejam melhorando e o desempenho de muitos é excepcionalmente bom hoje em dia.
REGULADOR DE TENSÃO SEGUIDOR DE EMISSOR SIMPLES
O projeto do circuito eletrônico para um regulador de tensão simples seguidor de emissor de transistor é muito direto. Este circuito não é amplamente usado sozinho em uma fonte de alimentação linear, mas pode ser usado em outros equipamentos para fornecer uma tensão de redução, etc., de um trilho de tensão mais alta.
O circuito usa um transistor de passagem única na forma de uma configuração de seguidor de emissor e um único diodo Zener ou outro diodo regulador de tensão acionado por um resistor da fonte não regulada.
Isso fornece uma forma simples de sistema de feedback para garantir que a tensão Zener seja mantida na saída, embora com uma redução de tensão igual à tensão de junção do emissor base – 0,6 volts para um transistor de silício.
É uma questão simples projetar um circuito regulador de tensão de passagem em série como este. Conhecendo a corrente máxima exigida pela carga, é possível calcular a corrente máxima do emissor. Isto é conseguido dividindo a corrente de carga, ou seja, a corrente do emissor do transistor pelo Β ou hfe do transistor.
O diodo Zener geralmente precisará de um mínimo de cerca de 10mA para que um pequeno Zener mantenha sua tensão regulada. O resistor deve então ser calculado para fornecer a corrente básica de acionamento e a corrente Zener mínima a partir do conhecimento da tensão não regulada, da tensão Zener e da corrente necessária. [ (Tensão não regulada – tensão Zener) / corrente]. Uma pequena margem deve ser adicionada à corrente para garantir que haja espaço suficiente para margem quando a carga e, portanto, a base do transistor estiver recebendo a corrente total.
A capacidade de dissipação de potência do diodo Zener deve ser calculada para o caso em que a corrente de carga e, portanto, a corrente de base é zero. Nesse caso, o diodo Zener precisará receber a corrente total passada pelo resistor em série.
Às vezes, um capacitor pode ser colocado no diodo Zener ou no diodo de referência de tensão para ajudar a remover ruídos e quaisquer transientes de tensão que possam ocorrer.
AMOSTRAGEM DE SAÍDA
O circuito regulador de tensão série seguidor de emissor simples comparou diretamente a saída com a referência de tensão. Desta forma a tensão de saída foi igual à de referência, desprezando a queda de tensão do emissor base.
No entanto, é possível melhorar o desempenho do regulador de tensão amostrando uma proporção da tensão de saída e comparando-a com a referência. Um amplificador diferencial como um amplificador operacional pode ser usado para esta função. Se isso for feito, a tensão de saída se tornará maior que a tensão de referência, pois o feedback negativo no circuito luta para manter as duas tensões comparadas iguais.
Se, por exemplo, a tensão de referência for de 5 volts e a amostragem ou divisor de potencial fornecer 50% da tensão de saída, a tensão de saída será mantida em 10 volts.
A divisão ou amostragem de potencial pode ser variável e, desta forma, a tensão de saída pode ser ajustada ao valor necessário. Normalmente este método é usado apenas para pequenos ajustes, pois o nível mínimo de saída obtido por este método é uma saída igual à tensão de referência.
Deve ser lembrado que o uso de um divisor de potencial tem o efeito de reduzir o ganho da malha de realimentação. Isso tem o efeito de reduzir o ganho do loop e, assim, reduzir o desempenho da regulação. Normalmente, há ganho de loop suficiente para que isso não seja um grande problema, exceto quando apenas uma proporção muito pequena da saída é amostrada.
Também deve-se tomar cuidado para não aumentar a tensão de saída a um ponto em que o regulador não tenha queda suficiente para regular suficientemente a tensão de saída.
REGULADOR DE PASSAGEM EM SÉRIE COM FEEDBACK
Para fornecer níveis de desempenho aprimorados em relação ao fornecido por um seguidor de emissor simples, é possível adicionar uma rede de realimentação mais sofisticada ao circuito regulador de tensão. Isso é obtido por amostragem da saída, comparando-a com uma referência e, em seguida, usando alguma forma de amplificador diferencial para realimentar a diferença e corrigir os erros.
É possível usar um circuito simples de dois transistores para um regulador de passagem em série com sensor de tensão e realimentação. Embora seja bastante simples usar um amplificador operacional, que fornecerá níveis mais altos de feedback e, portanto, melhor regulação, este circuito de dois transistores ilustra bem os princípios.
Neste circuito TR1 forma o transistor de passagem em série. O segundo transistor, TR2, atua como amplificador diferencial, alimentando a tensão de erro entre o diodo de referência e a tensão de saída detectada, que é uma proporção da tensão de saída definida pelo potenciômetro. O resistor R1 fornece a corrente para o coletor de TR2 e o diodo de referência de tensão ZD1.
REFERÊNCIA DE TENSÃO
Qualquer regulador de tensão linear só pode ser tão bom quanto a referência de tensão que é usada como base de comparação dentro do sistema. Embora uma bateria possa, em teoria, ser usada, isso não é satisfatório para a maioria das aplicações. Em vez disso, as referências baseadas em diodo Zener são usadas quase universalmente.
Reguladores e referências de circuito integrado usam combinações sofisticadas de transistores e resistores no chip para obter fontes de referência de tensão precisas e com compensação de temperatura.
A referência de tensão deve ser acionada a partir da alimentação não regulada. Ele não pode ser retirado da saída regulada, pois há problemas de inicialização. Na partida não há saída e, portanto, a saída de referência será zero e será mantida até a partida da referência.
Frequentemente, a saída da fonte de referência é alimentada por meio de um divisor de potencial. Isso não apenas reduz a tensão de saída, que normalmente é muito útil, mas também permite que um capacitor seja adicionado à saída para ajudar a remover qualquer ondulação ou ruído que possa estar presente. A tensão reduzida também é útil porque a saída de tensão mínima é governada pela tensão de referência.
REGULADORES DE TENSÃO EM SÉRIE DE BAIXA QUEDA
Uma das considerações de qualquer regulador é a tensão que deve ser colocada no elemento de passagem em série. Muitas vezes, para reguladores lineares, é necessária uma queda significativa no elemento de passagem em série para obter a melhor regulação e rejeição de ruído. Por exemplo, um regulador linear com uma saída de 12 volts pode ser projetado para ter uma tensão de entrada de 18 volts ou mais.
Com qualquer regulador linear, há uma tensão mínima que é necessária através do elemento em série antes que o regulador “desapareça”. Esta queda de tensão pode ser vista em muitos circuitos integrados de reguladores lineares.
Em alguns circuitos, é importante ter um regulador de baixa queda. Se a tensão de entrada disponível não for particularmente alta, ter um regulador linear de baixa queda pode ser importante. Ele precisará regular bem, apesar de ter uma tensão limitada nele.
Embora os circuitos mostrados aqui sejam simples circuitos de transistor, os mesmos princípios são usados em circuitos maiores e também em circuitos integrados. Os mesmos conceitos de reguladores de passagem em série, bem como os circuitos de diodo de referência, amostragem e outras áreas, usam os mesmos elementos.
Os conceitos usados aqui são usados dentro de fontes de alimentação reguladas praticamente lineares que podem oferecer níveis muito bons de desempenho. As fontes de alimentação reguladas lineares são maiores e mais pesadas que as fontes chaveadas, porém elas têm um nome para baixo ruído e boa regulagem na saída, livres dos picos que algumas fontes chaveadas possuem.
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