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UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANÁ
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ANDERSON FACCO
FERNANDO VIEIRA DOS SANTOS
FLAVIO LORI GRANDO
REGULAÇÃO DE TENSÃO
TRABALHO
PATO BRANCO
2011
ANDERSON FACCO
FERNANDO VIEIRA DOS SANTOS
FLAVIO LORI GRANDO
REGULAÇÃO DE TENSÃO
Trabalho individual apresentado à disciplina
de Eletrônica C do curso de Engenharia
Elétrica da Universidade Tecnológica Federal
do Paraná, para obtenção de nota parcial na
disciplina.
Profº. Dr. Mário Lúcio da Silva Martins
PATO BRANCO
2011
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Sumário
1. REGULAÇÃO DE TENSÃO..................................................................................3
1.1. Características do Circuito Regulador...........................................................4
2. FATOR DE RIPPLE................................................................................................5
3. FILTRO A CAPACITOR.......................................................................................5
3.1. Tensão de Ripple...............................................................................................6
3.2. Condução e dimensionamento dos diodos......................................................7
4. FILTRO RC..............................................................................................................9
4.1. Análise CC do filtro RC...................................................................................9
4.2. Análise CA do filtro RC...................................................................................9
5. REGULAÇÃO DE TENSÃO POR TRANSISTOR.............................................9
5.1. Circuito Regulador Série..................................................................................9
5.2. Circuito Regulador Paralelo............................................................................9
5.3. CI’s Reguladores de Tensão.............................................................................9
6. REFERÊNCIAS.....................................................................................................11
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1. REGULAÇÃO DE TENSÃO
Um fator importante em uma fonte de tensão é o quanto a tensão dc de saída
varia, ao longo de uma faixa de operação do circuito. A tensão fornecida na saída, nas
condições em que não há carga (nenhuma corrente drenada da fonte), é reduzida quando
há corrente de carga drenada da fonte.1
Torna-se, então necessário introduzir circuitos reguladores, cuja função é
melhorar a estabilidade da tensão de saída (regulação) a fim de que esta permaneça
constante independente de outras flutuações. A figura 1 mostra o diagrama de blocos de
uma fonte de tensão regulada.2
Figura 1. Diagrama de blocos de tensão regulada.
O quanto a tensão dc varia entre as condições de carga e sem carga é descrito por
uma fator chamado regulação de tensão.
regulaçã o= tens ão sem carga−tens ã ocom carga plenatens ã ocom carga plena
%V . R .=V NL−V FL
V FL
∗100 % Equação 1
Se o valor da tensão para carga total é o mesmo para a situação em que não há
carga, a regulação de tensão calculada é 0%, que é o melhor caso. Isto significa que a
fonte é uma fonte de tensão perfeita, na qual a tensão de saída é independente da
corrente drenada da fonte. Quanto menor a regulação de tensão, melhor é a fonte.1
Além dos reguladores de tensão, existem também os reguladores de corrente,
cuja função é manter a corrente de saída constante, independente de variações no valor
da carga conectada na saída ou da ondulação da tensão de entrada.
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1.1. Características do Circuito Regulador
Um circuito regulador de tensão (ou corrente) normalmente é alimentado por
uma fonte não regulada que fornece uma tensão contínua (CC) com uma componente
alternada sobreposta.
Como resultado, na saída do circuito regulador temos uma tensão ou corrente
contínua (CC) regulada com a componente alternada bastante atenuada, como mostra a
figura 2. O parâme tro mais importante de um circuito regulador é a regulação ou
estabilização, que mede a variação da saída regulada (tensão ou corrente) como
resultado de mudanças em um ou vários parâmetros do circuito. A seguir definiremos
diversos termos para as fontes de tensão sendo que eles devem ser reinterpretados para
fontes de corrente.
Figura 2. Variáveis a serem consideradas no circuito regulador.
A regulação de uma fonte é denominada mais adequadamente de regulação
estatística total e é a máxima variação na tensão de saída resultante dos efeitos
conjugados da variação simultânea de todos os parâmetros do circuito. A tensão
estabilizada de saída (VS) é dependente de três variáveis independentes: corrente de
saída (IS), tensão de entrada (VE) e temperatura de operação (T):
Equação 2
A variação total da tensão de saída em função das três variações parciais é
expressa por:
Equação 3
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onde as derivadas parciais representam respectivamente a resistência de saída do
regulador (RS), o coeficiente de regulação (AS) e o coeficiente de temperatura (aT).
Considerando-se a expressão anterior de forma simplificada, podemos substituir
diferenciais por diferenças e obteremos então:2
Equação 4
2. FATOR DE RIPPLE
O fator de ondulação, r, usualmente chamado de ripple é a componente alternada
(Vca) que incide sobre uma fonte de corrente contínua (Vcc). A componente alternada é
sempre indesejável de modo que projetos de fontes devem considerar esta ondulação
para que seja a mínima possível. Uma medida da eficiência da fonte é dada pelo fator de
ondulação "r" (ripple). Para encontrar o valor da tensão "r" (ripple) utilizamos a fórmula
a seguir.
V (r )=Vr rms
VoccEquação 5
Onde: Vrrms = valor eficaz da tensão
3. FILTRO A CAPACITOR
Um circuito de filtro muito comum é o que utiliza um simples capacitor, o qual é mostrado abaixo:
Figura 3. Diagrama de blocos de circuito com filtro a capacitor.
Um capacitor é conectado na saída do retificador, e uma tensão cc é obtida em seus terminais. A figura 4(a) mostra a tensão de saída de um retificador de onda
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completa antes de o sinal ser filtrado, e a figura 2 mostra a forma de onda resultante após o capacitor ser conectado na saída do retificador.
Figura 4. (a) Forma de onda do circuito com chave aberta. (b) Forma do circuito com chave fechada.
3.1. Tensão de Ripple
A figura abaixo demonstra uma forma de onda retificada onde aplica-se um
filtro a capacitor, este capacitor acumula carga através da tensão retificada, até no
instante em que o semi-ciclo atinge o valor pico então quando a tensão (forma da onda)
tende a diminuir após atingir o valor de pico acontece a descarga do capacitor, que tenta
manter a tensão constante. A amplitude da componente alternada entre o intervalo de
carga e descarga do capacitor é chamado de tensão ripple.
Figura 5. Forma de onda com a descarga do capacitor e tensão de ripple.
A descarga do capacitor é lenta devido a constante de tempo RC, ou seja, quanto
maior o capacitor ou a resistência de carga, maior a constante de tempo e menor o
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ripple. Porém, mesmo com o ripple, percebe-se que a filtragem aumenta o valor médio
da tensão de saída, chamada de Vm.
Vr= Vmf ∗Rl∗C
Equação 6
3.2. Condução e dimensionamento dos diodos
Uma condição de polarização direta é estabelecida aplicando-se o potencial positivo
ao material tipo p, e o potencial negativo ao material tipo n conforme mostrado na
figura 6
Figura 6. Junção p-n polarizada diretamente.
Um diodo semicondutor é polarizado diretamente quando a associação tipo p e positivo,
e n e negativo, for estabelecida. A aplicação de um potencial de polarização direta Vd
irá forçar elétrons do material tipo n e buracos do material tipo p a recombinarem-se
com os íons próximos a fronteira, e reduzir a largura da região de depleção como
mostrado na figura 6 O fluxo de portadores minoritários resultante de elétrons do
material tipo p para o material tipo n (e buracos do material tipo n para o material tipo
p) não muda em intensidade pois o nível de condução é controlado essencialmente pelo
numero limitado de impurezas desse material, mas a redução da região de depleção
resultou em um fluxo denso de majoritários através da junção. Um elétron do material
tipo n agora vê uma barreira reduzida na junção, devido a região de depleção reduzida e
uma forte atração para o potencial positivo aplicado ao material tipo p. A medida que a
polarização aplicada aumenta a amplitude, a região de depleção continua a diminuir em
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largura, até que o fluxo de elétrons consiga atravessar a junção, resultando em um
aumento exponencial da corrente conforme mostrado na figura 7:
Figura 7. Curva característica do diodo semicondutor de silício.
Para dimensionar o diodo deve-se verificar:
1-A tensão direta Vf para uma corrente e temperatura especificas.
2-A corrente direta máxima IF para uma temperatura especifica.
3-A corrente de saturação reversa Ir para uma tensa e temperatura especificas.
4- A tensão reversa nominal Vbr a uma temperatura especifica.
5- O nível Maximo de dissipação de potencia para uma temperatura em particular.
6- Níveis de capacitância.
7- Tempo de recuperação reverso trr.
8- faixa de operação de temperatura.
Dependendo do tipo do diodo considerado, dados adicionais também podem ser
fornecidos, tais como faixa de freqüência, nível de ruído, tempo de chaveamento entre
outros.1
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4. FILTRO RC
É possível reduzir ainda mais o ripple na saída de um filtro. Para isto, podemos
acrescentar uma seção RC adicional ao filtro, como mostrado na Figura 8, esta seção
RC permite que se passe quase toda a componente dc, e atenua consideravelmente a
componente AC.
Figura 8. Estágio de filtro RC
A Figura 10 mostra um retificador de onda completa com um filtro composto por um
capacitor e um circuito RC. A operação do filtro pode ser analisada, utilizando-se
superposição para as componentes dc e AC do sinal.
Figura 10. Retificador de onda-completa.
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4.1. Análise CC do filtro RC
A Figura 11 mostra o circuito equivalente dc a ser utilizado na analise do filtro
RC da figura anterior.
Figura 11. Circuito equivalente dc do filtro dc.
Como ambos os capacitores são circuitos abertos para operação dc, a tensão dc
resultante na saída é:
V 'dc=RL
R+RL
V dc Equação 7
4.2. Análise CA do filtro RC
A Figura 12 mostra o circuito equivalente ac da seção RC.
Figura 12. Circuito equivalente ac do filtro RC.
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Devido ao divisor de tensão entre a impedância ac do capacitor e o resistor, a
componente ac da tensão de saída na carga é:
V 'r(rms)≈
XC
RV r (rms) Equação 8
Para um retificador de onda completa, com um ripple ac em 120 Hz, a
impedância de um capacitor pode ser calculada utilizando:
XC=1,3C
Equação 9
Onde C é dado em microfarads e Xc em kiloohms
5. REGULAÇÃO DE TENSÃO POR TRANSISTOR
5.1. Circuito Regulador Série
A Figura 13 mostra o diagrama de blocos de um circuito regulador tipo série. Os
elementos em serie controlam o quanto da tensão de entrada passa para a saída. A
tensão de saída é amostrada por um circuito, que provê uma tensão de realimentação
para ser comparada com uma tensão de referência.
1. Se a tensão de saída aumentar, o circuito comparador fornece um sinal de
controle que faz com que o elemento de controle diminua o nível da tensão de
saída, mantendo, com isto a tensão de saída constante.
2. Se a tensão de saída diminuir, o circuito comparador fornece um sinal de
controle para o elemento de controle aumentar o nível de tensão na saída.
Figura 13. Diagrama de blocos de um regulador de tensão tipo série.
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Um regulador simples, série, está mostrado na Figura 14. O transistor Q1 é o elemento
de controle, e o diodo Zener Dz fornece a tensão de referencia. A operação de regulação
pode ser descrita como se segue:
1. Se a tensão de saída diminuir, a tensão base-emissor aumenta, fazendo com que
o transistor conduza mais, e desta forma aumentando a tensão de saída – mantém
a saída constante.
2. Se a tensão de saída aumentar, a tensão base-emissor diminui, e o transistor
conduz menos, reduzindo, assim a tensão na saída – mantém a saída constante.
Figura 14. Circuito regulador tipo série.
5.2. Circuito Regulador Paralelo
O regulador de tensão tipo paralelo realiza a regulação desviando corrente de
carga, de modo que a tensão na saída fica controlada pela quantidade de corrente
fornecida à carga. A Figura 15 mostra o diagrama de blocos deste tipo de regulador. A
tensão de entrada não regulada fornece corrente à carga. Parte da corrente é roubada
pelo elemento de controle a fim de manter a tensão regulada na saída. Se a tensão na
carga tentar variar devido à própria variação da carga, o circuito de amostragem
realimenta o sinal a um comparador, que então fornece um sinal de controle para alterar
a quantidade de corrente que está sendo desviada da carga. Se a tensão de saída tentar
aumentar, p ex., o circuito de amostragem provê um sinal realimentado ao circuito
comparador que daí fornece um sinal de controle para drenar a corrente, em paralelo
proporcionando, assim, menos corrente à carga.
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Figura 15. Diagrama de blocos de circuito regulador de tensão tipo paralelo.
A Figura 16 mostra um circuito regulador tipo paralelo simples. Há uma queda
de tensão não-regulada em RS, que depende da corrente fornecida à carga RL. A tensão
através da carga é determinada pelo diodo Zener, e pela tensão base-emissor do
transistor. Se a resisterncia da carga diminuir, menos corrente entra na base de Q1,
resultando em menor corrente desviada pelo coletor. Portanto, a corrente de carga
aumenta, mantendo a tensão regulada através da carga. A tensão de saída para a carga é:
V L=V Z+V BE Equação 10
Figura 16. Regulação de tensão em paralelo com TBJ.
5.3. CI’s Reguladores de Tensão
Os reguladores de tensão podem ser implementados com componentes discretos
ou podem ser obtidos na forma de circuito integrado (CI). Os reguladores de tensão na
forma de CI’s são mais precisos e tornam o circuito mais compacto pois ocupam menor
espaço.
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Tem-se vários tipos de reguladores de tensão, dentre os quais podemos citar os
CIs da série 78XX para tensão positiva e os da série 79XX para tensão negativa.
Nota:
As funções dos pinos 1 e 2 da série 79XX são trocadas em relação à série 78XX;
Nos reguladores 78XX, o pino 1 é a entrada e o pino 2 é o comum (ligado ao terra).
Nos reguladores 79XX, o pino 2 é a entrada e o pino 1 é o comum (ligado ao terra).
O pino 3 é a saída tanto para o 78XX quanto para o 79XX.
Tabela 1. Alguns exemplos de CIs reguladores de tensão
CI Tensão de saída CI Tensão de saída
7805 + 5V 7905 -- 5V
7806 + 6V 7906 -- 6V
7812 + 12V 7912 -- 12V
7815 + 15V 7915 -- 15V
7824 + 24V 7924 -- 24V
As características dos reguladores de tensão 78XX são:
Máxima tensão de entrada = 35 V
Tensão mínima de entrada é de aproximadamente 3V acima da tensão de saída
Máxima corrente de saída = 1 A
Máxima potência dissipada = 15 W ==> PD = (Vent - Vsaída) . IL.
IL é a corrente de saída.
Se PD for maior que 1W deve-se utilizar um dissipador ou radiador de calor para o C.I.
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6. REFERÊNCIAS
[1] BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis; Dispositivos Eletrônicos e Teoria
de Circuitos. LTC – Rio de Janeiro, 1999.
[2] SANTOS FILHO, Sebastiao Gomes dos. Eletrônica Experimental (Volume I) -
Fontes de Tensão e Corrente. In: SEABRA, A.c. (Org.). Eletrônica Experimental. São
Paulo, 1999, v. 1, p. 75-100.
[3] WIKIPEDIA, Ripple - dísponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ripple.
[4] SOUZA, Ivair José; Reguladores de tensão - disponível em:
http://ivairijs.vilabol.uol.com.br/regulador1.html
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