Fontes de Alimentação Lineares
FONTES DE
ALIMENTAÇÃO LINEARES
(Saiba como elas podem ser ótimas soluções para seu trabalho)
Fontes de alimentação Lineares!
Não estão elas obsoletas e sendo substituídas pelas pequenas fontes chaveadas?!
Acredito que essas duas dúvidas surgiram para o leitor, acostumado com a eletrônica "contemporânea", quando ele leu o título deste artigo. De fato, com a redução de tamanho dos equipamentos a utilização de fontes Lineares tem decrescido, porém, a proposta desta matéria não é a de ensinar o leitor a montar urna simples fonte.
Nossa intenção é mostrar que, se as fontes lineares estão ficando obsoletas como fontes-de-alimentação, com algumas pequenas modificações, elas podem se tornar interessantes soluções para o técnico ou engenheiro de campo. Confira!
PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
Antes de tratarmos das tais soluções, vamos lembrar alguns conceitos teóricos que agora se tornarão práticos.
Retificação é o nome dado ao processo de transformação de uma corrente alternada em contínua. O circuito retificador mais simples é o de meia onda, que emprega apenas um diodo retificador (figura 1).
A denominação "meia onda" tem origem no fato de que este circuito aproveita apenas um semiciclo da tensão alternada de entrada.
A tensão presente na saída de um circuito retificador deste tipo é denominada corrente contínua pulsante, porque existe apenas durante um semiciclo.
Fica claro que, por essa razão, a tensão eficaz de saída é menor que a tensão de entrada. Desconsiderando a queda de tensão no diodo (aproximadamente 0,6 V para diodos de silício), a tensão eficaz de saída pode ser expressa pela fórmula:
Ora, mas estamos falando de fontes-de-alimentação CC, e não pulsante, portanto, vamos aos valores com o clássico capacitor de filtro. A figura 2 mostra o esquema da fonte mais simples possível de ser construída na Eletrônica. Supondo que tenhamos 15 VCA na saída do
transformador, e que não haja carga na saída, qual será o nível de tensão CC que obteremos?
Simples, se não há carga, não há ripple (ondulação), portanto, a tensão contínua será igual a de pico da alternada. A razão disso é obvia, pois o capacitar de filtro se carregará com o valor máximo e não tendo carga, não há diminuição do seu valor.
Caso visualizássemos esse sinal através da tela de um osciloscópio, ele seria uma linha perfeita de 21,2 Vcc, pois:
"Mas, para que serve uma fonte se não há carga?".
Vamos, então, a um exemplo prático:
Suponha que essa fonte passe a alimentar uma carga; o capacitar utilizado como filtro, agora, deve sustentar a tensão sobre a carga em todo o semiciclo negativo, surgindo, assim, o famoso "ripple" (figura 3).
Ainda COM base nesse exemplo, imagine que a carga provoque uma ondulação de 3 Vpp (três volts de pico-a-pico). Qual será a nova tensão eficaz, e sua forma-de-onda no osciloscópio?
A tensão eficaz pode ser expressa por:
É importante salientar que: não consideramos a queda de tensão sobre o diodo, e já determinamos o quanto a carga provoca de ondulação, sem entrar nas considerações do valor do capacitar em específico.
A figura 4 ilustra como a forma-de-onda sofre pequenas ondulações. Reparem como o valor médio ficou entre 21,2 V e 18, 2 V , ou seja: 19,7 V.
Até aqui nenhuma novidade, entretanto, todo técnico sabe o quanto é difícil medir com precisão essa ondulação, visto que, normalmente, ela é menor que 10% de Vcc.
A dica para contornar esse problema pode ser vista na figura 5. Observe que para obter uma medida precisa da tensão de "ripple" utiliza-se o modo AC do osciloscópio. Neste modo de entrada a componente CC da saída é eliminada de forma que o osciloscópio apresenta na tela apenas a ondulação. Isto permite aumentar o ganho vertical, ampliando a ondulação na tela.
Outra alternativa para a construção de uma fonte linear não regulada é fazê-la com retificação em onda completa. Conforme podemos observar na figura 6, temos dois modos de fazê-lo: em ponte de diodos, ou com center tape.
Caso a opção seja por center tape, a tensão eficaz continua é a mesma, ou seja:
Por outro lado, se a fonte for em ponte retificadora, talvez, as quedas nos diodos não possam ser consideradas desprezíveis, visto que agora são dois deles ativados por semiciclo, o que significa uma queda de (no mínimo) 1,2 V. Nesse caso, a tensão de saída passa a ser:
Duas são as vantagens de utilizar a retificação em onda completa com transformadores center tape: menor queda de tensão, e possibilidade de transformá-la em uma fonte simétrica caso necessário.
"Mas, como saber o valor ideal de capacitar, e qual o melhor tipo para cada aplicação?".
Há duas formas de tratarmos esse assunto: a acadêmica, e a prática.
Estamos tratando das fontes de alimentação mais simples do mundo eletrônico: as lineares não reguladas. Isso significa que, para podermos utilizá-las, nossa carga deve ser flexível na sua tensão de alimentação.
Seria inviável, por exemplo, montar uma fonte desse tipo para alimentar circuitos digitais TTL (5 Vcc) sem uma etapa reguladora.
Ora, se estamos lidando com cargas que suportam variações de tensão, por quê tentar calcular componentes com precisão?!
Mesmo assim, alguns cuidados devem ser tomados e que, aliás, normalmente, a maioria deles, são conceitos ainda presentes na mente de muitos técnicos e engenheiros, vide quadro abaixo
Resumindo, podemos dizer que, na prática:
- Transformador: deve ter unia capacidade 50% maior do que a demanda de carga.
- Diodos: devem suportar 2 vezes a tensão reversa (no mínimo) e ter
50% de folga em relação a corrente de carga.
- Capacitor: o valor deve estar compreendido entre 100uF < C < 4.700 uF. Sempre com 100% a mais da tensão máxima de saída.
- Capacitor de baixo valor: Devem estar entre 100nF e 330nF/250 V. Não importa se cerâmicos ou de poliéster.
REGULADORES DE TENSÃO
As três famílias de reguladores de tensão mais populares" do mercado, sem dúvida, são: Linha 78XX (reguladores de tensão positiva); 79XX (reguladores de tensão negativa), e LM 317 (regulador ajustável para múltiplas aplicações).
a) Familia 78XX.
Os reguladores dessa família são produzidos por vários fabricantes (Fairchild, Motorola, National, ST, etc.) e trata-se de um circuito integrado de três terminais, e que pode fornecer até 1A de saída. Seu encapsulamento pode ser do tipo TO — 220 e D PAK (figura 7).
Os dois últimos números do CI indicam sua tensão de saída, por exemplo, 7805 (regulador positivo com saída de 5 Vcc), e assim por diante.
Suas principais características são:
- Corrente de saída até 1 A
-Tensões de saída (5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 e 24 V).
- Proteção térmica
- Desligamento automático em curto-circuito.
- Transistor de saída com recurso SOA (Safe Operating Área Protection), que mantém o dispositivo em operação somente se seus valores limítrofes de operação (tensão, corrente, temperatura, etc.) estiverem dentro de uma região segura.
Cada componente desta família possui internamente dezenas de transistores, portanto, para simplificar seu funcionamento, a figura 8 apresenta um diagrama de blocos simplificado. Reparem que o bloco de partida somente libera a salda de tensão, caso a tensão de entrada esteja dentro do intervalo especificado para cada tipo, O circuito amplificador de erro aumenta a estabilidade do sistema. O componente ainda é equipado com um proteção térmica e, com o devido dissipador de calor, poderá até superar a corrente de 1A de saída.
A tabela 1 mostra os valores máximos destes reguJadores.
A figura 9 exibe uma fonte linear, a qual passa agora a ser uma linear estabilizada, e que usa um LM 7805. Também mostra os devidos pinos deste dispositivo, que, aliás, segue o padrão para toda a série 78XX.
À primeira vista nenhum detalhe importante a ser observado, porém, se o leitor consultar o DataSheet deste componente notará as seguintes recomendações:
- Para reguladores com tensão de saída de 5 V (7805) a 18 V (7818), a máxima tensão de entrada é 35 V. Para reguladores de 24 V (7824) é 40 V.
Dois pequenos capacitores são utilizados, sendo um antes (Cl = 0,33uF) da regulação, e outro (Co = 0,1 uF) após ela.
Novamente, vamos explorar algumas "dicas" que, quando respeitadas, devem aumentar significativamente a vida útil do circuito (MTBF) e, se produzido serialmente, diminuir des-perdícios, vide quadro abaixo.
Uma das flexibilidades da família 78XX é o seu pino de referência.
Conforme o próprio nome sugere, qualquer tensão aplicada a ele será somada ao valor de sai-da do com-ponente. Isso é muito útil quando necessitamos utilizar um transistor driver de saída, para aumentar a capacidade de corrente.
A figura 10 mostra um exemplo, onde podemos notar que o pino de referência não está conectado diretamente ao terra, portanto, teremos 0,6 V a mais na saída. Esses 0,6 V a mais, por outro lado, são "consumidos" pela junção base-emissor do transistor 2N3055, chegando, então, exatamente 5V para a carga.
1) Familia 79xx:
A família 79xx é composta por três reguladores de tensão negativa, mais especificamente para: -5V, -12V, e -15 V.
A figura 11 ilustra a pinagem deste componente. A inversão da entrada com o pino de referência (ou terra), em relação a série 78xx, não é a única diferença entre elas.
Os valores limítrofes são diferentes, e os capacitores pré e pós-regulação também. É importante, portanto, pesquisar o data sheet deste componente para uma aplicação otimizada.
Veja que um erro comum, o qual confesso ao leitor que cometi várias vezes, é o circuito da fonte simétrica apresentado na figura 12. O desenvolvedor pode ser induzido a pensar: por ser simétrica, e as famílias 78xx, e 79xx serem semelhantes, os capacitores C1=C3 e C2=C4. Errado!
A figura 13 exibe a fonte com os valores corretos, visto que o capacitor de pré-regulação deve ser de 2,2uF (Cin). Alguns fabricantes, inclusive, aconselham capacitores do tipo "tantalum", e o de saída (Cout) de 1uF.
c) Familia LM 117 / LM317:
As séries LM117 e LM317 também são reguladores de tensão positiva, porém, diferentemente dos valores fixos da série 78xx, elas são ajustáveis.
Na verdade, o regulador pode variar a tensão de saída (range) de 1,2 V a 25 V, com até 1,5 A de saída.
Apenas dois resistores externos são necessários para construir um circuito regulador de tensão variável, a figura 14 mostra uma aplicação típica.
Esses componentes oferecem proteção contra: sobrecarga, térmica, e "safe área protection".
Outra característica interessante é que os capacitores externos somente serão necessários se o circuito regulador estiver a mais de 6 polegadas de distância da fonte C. Podemos encontrar esse componente em várias potências e encapsulamentos, identificando-os pela letra sufixo (após o número).
A tabela 2 informa os mais comuns cio mercado, e a figura 15 os tipos de encapsulamento,
SOLUÇÕES
Finalmente, vamos as soluções que as fontes lineares podem nos trazer. Separamos oito circuitos, feitos para resolver problemas reais, e testados e aprovados em campo.
Esperamos que, se eles não atenderem suas necessidades, então, que, no mínimo, sirvam de inspiração para adequação.
1 — Fonte regulável de 4,5 V a 25V/4A
Esse circuito, desenhado na figura 16, é ideal para fontes de bancada de testes para o desenvolvedor, ou técnico de manutenção. Ele utiliza três LM317 em paralelo, e um am-plificador operacional LM308, Como cada Cl fornece, no mínimo, 1,2 V de saída, e ainda temos um amplificador da tensão de referência, a tensão minima é 4,5 V.
II — Fonte com seleção digital de tensão
Esse projeto é muito interessante, pois a mudança da tensão de saída pode ser feita através de comandos digitais (um microcontrolador, por exemplo). Cada transistor, quando ativado, estabelece sua respectiva referência (figura 17). Não há limites de possibilidades, e permite urna gama de variação de tensão também ilimitada. Os transistores, por serem NPN, devem receber uni nível alto em cada respectiva base. O resistor Rs pode ser escolhido conforme a melhor estabilidade do circuito, em função da tensão de entrada.
III— Carregador para pequenas baterias de 12 V.
A figura 18 traz um eficaz carregador de baterias, e o valor de Rs determina a intensidade da corrente de carga. Quanto mais próximo da carga plena, menor a corrente.
IV — Carregador com corrente constante.
Caso a bateria a ser carregada necessite de uma corrente constante de carga (baterias estacionárias), então, o circuito da figura 19 é outra opção. Esse projeto, porém, foi de-senvolvido para pequenas baterias de 50 mA.
V — Limitador de corrente.
Muitas fontes de alimentação necessitam de um limitador de corrente. O circuito da figura 20 ilustra um limitador preciso, onde a corrente de saída será:
Os valores limítrofes de R, devem estar entre 0,8 e 120 ohms (0,8 ohms < Ri < 120 ohms).
VI — "No-break" de corrente contínua
Em 1991, fui solicitado para projetar o seguinte produto:
Uma fonte de alimentação com saída de tensão entre 12 V e 15 Vcc por 5A.
Além disso, ela serviria como carregador de bateria. Bateria essa que alimentaria um pequeno CLP na ausência de energia elétrica (daí o apelido "no-break" CC). O circuito também deveria possuir três indicações: quando a energia externa estava presente, quando o equipamento estava sendo sustentado pela bateria (ausência de energia externa), e quando a bateria estava a beira do final da carga.
No primeiro protótipo consegui atender somente a primeira exigência do cliente, Já no sétimo, tudo funcionava de acordo.
O circuito da figura 21 mostra como tudo funciona. Primeiramente uma fonte alimenta o equipamento, e carrega a bateria ao mesmo tempo.
A primeira dificuldade foi determinar o valor de Rx para que não ocorresse uma carga muito rápida, nem tampouco tivesse urna queda de tensão muito grande (quando em funcio- namento pela bateria) a ponto de reduzir os 12 V. A bateria era do tipo automotiva, portanto, quando plena-mente carregada, ela apresenta 13,4 V (apenas 1,4 V de folga!).
Utilizei um Cl CMOS 4011 como inversor, assim quando tivesse energia o nível do LED amarelo seria 0, e o verde 1 (indicando que o equipamento estava por conta da rede). O problema era que, uma vez desconectado da rede, o LED verde permanecia aceso. Demorou alguns dias até eu descobrir que o capacitor carregado (e na ausência de carga) mantinha o nível de tensão. Foi então que acrescentei dois componentes: R, (para descarregar o capacitor), e D1 (para impedir que a bateria o fizesse). Finalmente, as sinalizações fun-cionavam.
Só faltava indicar quando a bateria estava fraca. Essa parte foi fácil, fixei um valor de tensão de referência para urna bateria supostamente descarregada e, através de um comparador, ativava um LED vermelho.
O único problema era que todas as "baterias do mundo" eram consideradas descarregadas pelo meu circuito. Foi quando optei por não fixar a referência, mas sim disponibilizá-
la para calibração através de P1.
Foi somente, então, que o projeto ficou pronto.
VII — Fonte regulável de O a 15 V com proteção eletrodinâmica.
Essa fonte foi construída para um laboratório de testes e, utilizando um regulador fixo (LM7815), podemos proceder ao ajuste da tensão de saída através do potenciômetro de 10 k Os componentes podem ser dimensionados para várias dezenas de ampères, O principio de funcionamento é simples:
A corrente da carga passa por Rx, que deve ser dimensionado segundo a fórmula:
Atingindo 0,7 V, significa que a corrente atingiu o seu valor máximo permitido. Como temos 0,7 V entre o catodo e o gate do SCR, este dispara o relé, que desarma a saída, e liga o LED indicador de curto-circuito. O botão de reset rearma o sistema. Quando fiz o primeiro protótipo, tudo funcionou bem, com exceção de um pequeno detalhe. Toda vez que eu provocava um curto-circuito na saída da fonte para testar a proteção, ela de fato atuava, porém, imediatamente queimava o SOR. Em suma, eu acabara de criar o melhor circuito "queimador" de SCRs do mundo.
Foi quando percebi que este componente queimava por excesso de tensão entre o catodo e o gate, pois U=RI, e se I é altíssimo no curto, VGK também, Os dois diodos limitadores de tensão entre o gate e o terra resolveram o problema.
A concepção deste projeto é muito semelhante a proteção "crow bar", porém, com a saída eletrodinâmica (relé), e que atua em aproximadamente 7 ms. Conforme figura 22.
VIII — Chaveador de carga para no-break.
Em 1995 o projeto SEMIN (semáforos inteligentes) começou a ser implantado em SP. A idéia, bem resumida é claro, é que cada cruzamento tenha um controlador de tráfego e, em rede com os demais, otimize o ciclo do semáforo melhorando o trânsito de veículos.
Esses controladores são equipados com no-break, cuja determinação do cliente era de uma autonomia de 3 horas.
Dentro do espaço interno do gabinete em questão, o único modo de conseguir tal autonomia seria desligando alguns semáforos secundários, e que, por não serem "vitais", não comprometiam a segurança do trânsito.
Foi aí que começamos a desenvolver o chaveador de cargas. Seu papel é: na ausência de energia elétrica, ativar um rele através da fonte do controlador que está sendo alimentado pelo no-breais, e desligar alguns semáforos da rede.
Como na maior parte cio tempo há energia, optei por utilizar os contatos NF do relé. Assim, os semáforos permaneciam ligados mesmo com o relé desenergizado. Para isso utilizei um transistor PNP que se mantém em corte quando a tensão positiva na sua base, e entra em saturação, através de um resistor de 560 , na ausência dela, ou seja: conexão em terra,
A figura 23 mostra o circuito, e a placa real utilizada nos cruzamentos de SP onde o SEMIN está em funcionamento. Esse projeto, por exemplo, poderá chavear qualquer carga e, não necessariamente, um controlador de tráfego.
CONCLUSÃO
A intenção deste artigo foi mostrar ao leitor que circuitos simples podem resolver problemas aparentemente complicados. Além isso, mostrar que desenvolver circuitos, não é obri-gatóriamente, uma tarefa de muitos cálculos matemáticos. Antes de começar a desenvolver qualquer circuito, consulte as notas de aplicação dos componentes do fabricante. Fazendo isso, você poupará tempo, e aumentará a vida útil do seu projeto (MTBF). Quem sabe, no próprio "aplication notes" já está a solução! Solicito, mais uma vez, a todos os leitores que enviem sua opinião a respeito deste artigo à nossa editora. Isso pode ser feito por e-mais, ou carta. Esse retorno é fundamental para melhor atendermos suas necessidades. Obrigado, e até a próxima!
Fonte: Eletrônica Saber
Nº 358 - Novembro / 2002
Autor: Alexandre Capelli
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