eletronica analogica, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Circuitos analÛgicos

Curso TÈcnico em EletroeletrÙnica - Circuitos analÛgicos

 SENAI-SP, 2005

Trabalho organizado e atualizado a partir de conte˙dos extraÌdos da Intranet por Meios Educacionais da GerÍncia de EducaÁ„o e CFPs 1.01, 1.13, 1.18, 2.01,3.02, 6.02 e 6.03 da Diretoria TÈcnica do SENAI-SP.

Equipe respons·vel CoordenaÁ„o Airton Almeida de Moraes SeleÁ„o de conte˙dos AntÙnio Marcos Costa Celso Luiz Sais ElaboraÁ„o de ensaios AntÙnio Marcos Costa e capÌtulo nove Celso Luiz Sais Revis„o tÈcnica Everaldo Costa Queiroz Capa JosÈ Joaquim Pecegueiro

SENAI

ServiÁo Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de S„o Paulo Av. Paulista, 1313 - Cerqueira CÈsar S„o Paulo - SP CEP 01311- Telefone Telefax SENAI on-line

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Fontes reguladas

A partir de sua descoberta, o transistor popularizou-se muito rapidamente como substituto da v·lvula e passou a ser empregado na grande maioria dos circuitos eletrÙnicos. Paralelamente ‡ substituiÁ„o das v·lvulas, novas aplicaÁıes foram descobertas para o transistor. Uma destas aplicaÁıes È a construÁ„o de fontes de alimentaÁ„o reguladas ‡ base de transistores que hoje s„o utilizadas na maioria dos circuitos eletrÙnicos.

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conte˙dos e atividades deste capÌtulo, vocÍ dever· ter conhecimentos relativos a fontes de alimentaÁ„o com filtro, regulaÁ„o de tens„o com diodo zener e relaÁıes entre par‚metros do transistor bipolar.

Esta unidade tratar· do princÌpio de funcionamento das fontes reguladas a transistores e o uso de transistores em configuraÁ„o darlington.

RegulaÁ„o de tens„o em fontes de alimentaÁ„o

A necessidade de projetar e montar fontes reguladas de boa qualidade provÈm do fato que as fontes n„o-reguladas nem sempre atendem aos requisitos necess·rios para todos os usos. Existem duas razıes para isso:

• RegulaÁ„o pobre e
• EstabilizaÁ„o pobre.

Como resultado de uma regulaÁ„o pobre, tem-se uma variaÁ„o na tens„o de saÌda quando a carga varia.

Normalmente, estes circuitos s„o denominados de reguladores de tens„o, embora sejam, na realidade, reguladores e estabilizadores de tens„o.

ObservaÁ„o Deve-se sempre considerar que n„o existe um sistema regulador de tens„o perfeito. As variaÁıes na tens„o de entrada sempre provocam pequenas alteraÁıes na tens„o de saÌda. Os sistemas reguladores devem funcionar de tal forma que as variaÁıes na tens„o de saÌda sejam as menores possÌveis.

ClassificaÁ„o dos circuitos reguladores

Os circuitos reguladores s„o classificados em dois grupos, segundo a posiÁ„o do elemento regulador em relaÁ„o ‡ carga:

• Regulador paralelo;
• Regulador sÈrie.

Um circuito regulador È considerado paralelo quando o elemento regulador È colocado em paralelo com a carga.

Um exemplo tÌpico de regulaÁ„o paralela È aquela que utiliza o diodo zener como elemento regulador. Na pr·tica, esse tipo de circuito sÛ È utilizado quando a corrente de carga È bastante reduzida.

Um circuito regulador È classificado como sendo sÈrie quando o elemento regulador È colocado em sÈrie com a carga.

Na regulaÁ„o sÈrie, as variaÁıes de tens„o da entrada s„o absorvidas pelo elemento regulador, e uma tens„o de saÌda praticamente constante È entregue ‡ carga. Nesse tipo de circuito, apenas o elemento regulador dissipa potÍncia.

RegulaÁ„o sÈrie com transistor

Os reguladores de tens„o do tipo sÈrie com transistor s„o largamente empregados na alimentaÁ„o de circuitos eletrÙnicos devido a sua boa capacidade de regulaÁ„o.

Veja ilustraÁ„o abaixo.

Nesses circuitos, a tens„o de entrada sempre È maior que a tens„o de saÌda. Isto È necess·rio para que a tens„o coletor-emissor (V (^) CE ) varie sem provocar alteraÁ„o na saÌda do circuito.

Em geral, a tens„o de entrada deve ser aproximadamente 50% maior do que a tens„o regulada necess·ria na saÌda, desde que VCE seja maior do que 3 V.

Outra an·lise que se pode fazer nesse circuito È a an·lise do comportamento das correntes que mostra a forma como o circuito regulador reage ‡s modificaÁıes da corrente de carga.

Tomando como base uma condiÁ„o inicial, com uma carga estabelecida, as correntes do circuito s„o as mostradas na figura a seguir.

Como I (^) B È desprezÌvel, pode-se considerar I (^) RL ≅ I (^) E ≅ I (^) C , ou seja, a corrente de coletor È praticamente igual ‡ corrente de carga.

A corrente de base, necess·ria para que o transistor forneÁa a corrente de carga, È proveniente do circuito resistor-zener (R - D (^) Z).

Quando a carga varia (exigindo maior ou menor corrente), a corrente de coletor se modifica. Com a modificaÁ„o na corrente de coletor, a base passa a absorver outro valor de corrente.

I (^) RL⇑ → ⇑I (^) C como I (^) C = β. I (^) B → ⇓I (^) B I (^) RL⇓ → ⇑I (^) C como I (^) C = β. I (^) B → ⇓I (^) B

Considerando a corrente do resistor R (I (^) R = I (^) B + I (^) Z) com valor constante, verifica-se que:

• Se I (^) B aumenta, I (^) Z diminui;
• Se I (^) B diminui, I (^) Z aumenta;

De forma que I (^) B + I (^) Z tenha um valor constante.

Cabe ao diodo zener absorver o excesso de corrente ou fornecer uma corrente extra ‡ base do transistor, conforme a situaÁ„o de carga do circuito.

Na figura a seguir È apresentada a an·lise das correntes do regulador sÈrie com transistor com β = 100, nos casos em que a corrente de carga aumenta e diminui 0,5 A em relaÁ„o ao valor de referÍncia de 1 A e no qual I (^) Z = 30 mA. Observe que a tens„o de entrada do regulador È constante (16 V)

DissipaÁ„o de potÍncia no circuito regulador sÈrie

Os circuitos reguladores de tens„o sempre apresentam componentes que dissipam potÍncias elevadas em forma de calor.

Nos circuitos reguladores sÈrie, o componente sujeito ‡ dissipaÁ„o elevada È o transistor. A potÍncia dissipada no transistor È o produto da corrente de coletor pela diferenÁa de tens„o entre a entrada e a saÌda: PT = I (^) C. (VENT - VS ) Como VENT - VS = VCE, PT = I (^) C. VCE

Em geral, os transistores usados nos circuitos reguladores s„o de potÍncia, dimensionados de forma que a dissipaÁ„o real n„o provoque o disparo tÈrmico e a inutilizaÁ„o do componente.

ConfiguraÁ„o Darlington

A configuraÁ„o darlington corresponde a uma forma de ligaÁ„o entre dois transistores que adquire caracterÌsticas singulares. Veja circuito a seguir.

Nele, o resistor R 1 fornece uma corrente de base I (^) B1 ao transistor T 1. Essa corrente È amplificada por T 1 e gera uma corrente de coletor (I (^) C1) com valor igual a I (^) B1 ⋅ β 1. Admitindo-se que I (^) E1 ≅ I (^) C1, conclui-se que I (^) E1 ≅ IB1⋅ β 1.

A corrente I (^) E1 È aplicada ‡ base de (I (^) E1 = I (^) B2). O transistor T 2 amplifica esta corrente de base gerando uma corrente na carga que corresponde a I (^) C2 = I (^) B2 ⋅ β 2 , ou seja: I (^) C2 = I (^) B2 ⋅ β 2 I (^) C2 = I (^) E1 ⋅ β 2 I (^) C2 = (IB1⋅ β 1 ) ⋅ β 2

Como a corrente de carga (I (^) RL) È a soma das correntes dos coletores: I (^) RL = I (^) C1 + I (^) C I (^) RL = I (^) B1 ⋅ β 1 + (I (^) B1⋅ β 1 ) ⋅ β 2 I (^) RL = I (^) B1β 1 (1 + β 2 )

Considerando 1 + β 2 ≅ β 2 , tem-se:

I (^) RL = Iβ 1 β 1 - β 2

Operando a equaÁ„o de tal forma a obter I (^) B1, tem-se:

1 2 B1 RL β. β

I =^ I

Isso significa que uma carga de grande corrente pode ser controlada atravÈs de uma corrente centenas ou milhares de vezes menor.

Como vantagens fundamentais dessa configuraÁ„o, temos:

• As variaÁıes de corrente no zener em funÁ„o da carga s„o menores, o que aumenta a estabilidade da tens„o de saÌda;
• Menor dissipaÁ„o no zener.

Deve-se levar em conta que se n„o houver os diodos de compensaÁ„o (D 1 e D 2 ), a tens„o de saÌda ser·: VS = VZ - (VBE1 + VBE2).

A configuraÁ„o darlington tambÈm est· disponÌvel no mercado em um ˙nico encapsulamento de transistor.

ObservaÁ„o Alguns desses transistores possuem um diodo entre emissor e coletor, e a ˙nica forma de identificar transistores com essa configuraÁ„o È atravÈs da consulta ao manual do fabricante.

Reguladores em circuitos integrados

Existem circuitos integrados que fazem toda a regulaÁ„o da tens„o de saÌda de uma fonte de CC de forma simples e muito eficiente. Esses circuitos integrados reguladores ou estabilizadores de tens„o podem fornecer uma tens„o de saÌda fixa ou vari·vel.

O regulador de tens„o com saÌda fixa mais utilizado È o de trÍs terminais com encapsulamento TO-220 da famÌlia 78XX e 79XX. O prefixo 78 indica regulador de tens„o positiva e o 79 identifica o regulador de tens„o negativa.

Ele possui limitaÁ„o interna de corrente, ·rea de seguranÁa de compensaÁ„o de temperatura e proteÁ„o contra curto-circuito na saÌda. Se for usado com dissipador de calor adequado, pode fornecer ‡ carga corrente superior a 1 A.

O regulador de tens„o de saÌda vari·vel mais popular È o LM 317.

Os dados sobre esses componentes s„o encontrados nos data books e manuais dos respectivos fabricantes.

O regulador de tens„o serial monolÌtico È um componente que veio facilitar muito a implementaÁ„o de fontes de alimentaÁ„o, pois È facilmente ligado ao circuito. Este regulador constitui um componente de grande robustez mec‚nica e elÈtrica, sendo ainda encontrado para v·rias tensıes de regulaÁ„o.

O regulador de tens„o serial monolÌtico È apresentado em encapsulamento pl·stico ou met·lico com 3 terminais externos, sendo um terminal de entrada, um terminal terra e um terminal de saÌda.

A pastilha semicondutora interna congrega todos os circuitos necess·rios ‡ regulaÁ„o da tens„o.

A figura a seguir ilustra um modelo de regulador com encapsulamento TO 220.

Na linha 78XX o terminal central È o massa, enquanto na linha 79XX o terminal massa È o primeiro da esquerda. O sufixo XX corresponde ‡ tens„o de saÌda, sendo o 7805, por exemplo, um regulador de 5V.

Os reguladores monolÌticos s„o largamente aplicados na regulaÁ„o local de tensıes em cartıes de circuitos eletrÙnicos. Assim, a proteÁ„o contra curto e a regulaÁ„o ficam independentes da fonte principal.

Exemplo de circuito aplicativo para o CI 7805.

O CI recebe a tens„o n„o regulada (Ve)proveniente da etapa de retificaÁ„o e filtro e promove a regulaÁ„o, obtendo-se assim a tens„o (VS ) de saÌda.

No interior do componente, existe tambÈm um circuito para proteÁ„o contra sobreaquecimento e sobrecorrente que limita a corrente m·xima, para proteger o componente em caso de curto-circuito.

Abaixo encontram-se os par‚metros mais importantes, caracterÌsticos dos circuitos integrados reguladores da famÌlia 78XX/79XX e que precisam ser levados em conta pelo tÈcnico.

• Tens„o de saÌda;
• Tens„o de entrada mÌnima;
• M·xima corrente de saÌda;
• M·xima temperatura de junÁ„o;
• Faixa de temperatura de operaÁ„o;
• RejeiÁ„o de Ripple;
• Corrente de pico de saÌda.