Regulador de Tensão Com Transistores I

Olá a todos. Hoje inicio uma nova "metodologia" de estudo da eletrônica aqui no blog. Hoje aprenderemos discutindo e comentando o funcionamento dos circuitos, começando por um regulador de tensão com transistores. O circuito em questão é o da figura abaixo:

Este é um regulador de tensão apresentado no livro "Projetos de Circuitos com Transistores", escrito em 1963 pela Texas Instruments Incorporated, que criou o livro para os engenheiros a projetar usando a nova tecnologia do transistor. Claro que hoje algumas coisas poderiam parecer triviais, mas, naquela época, não eram. Este circuito fornece uma tensão de saída de 30V, desde que sua entrada possua uma tensão contínua e não-regulada entre 37,5 e 70V. A corrente máxima na saída é 400mA, ele opera em temperaturas entre -50 e 125°C e possui menos de 0,5 ohms de resistência na saída. Claro que essas características e limites máximos dependem da escolha específica dos componentes, que não abordarei aqui. O importante aqui é entender como este circuito funciona.

Primeiro, vamos dar nomes aos bois. O diodo zener D2 possui uma tensão zener de 3,3V, enquanto o diodo zener Z1 possui uma tensão zener de 6,2V. O transistor Q1 deve aguentar uma tensão entre coletor e emissor de, no mínimo, 40V. Pois, se considerarmos a entrada como sendo máxima (70V) e a saída sendo o valor nominal (30V), a diferença de 40V ficarão sobre esse transistor. A corrente que este transistor deve aguentar deve ser os 400mA que uma carga pode consumir mais a corrente que polariza o divisor de tensão e o diodo zener D1. Um transistor que conduza, sem problemas, 500mA seria suficiente nesta aplicação. Para visualizar o circuito em funcionamento, sugiro que use um simulador. Se não tiver nenhum, sugiro que use o simulador em JAVA on-line do Falstad no site http://www.falstad.com/circuit/.

Na entrada existe um divisor de tensão entre o Zener e o resistor de 5,1K. A tensão do zener é 3,3V. Descontado 0,7V da perda de tensão entre a base e o emissor do transistor PNP Q4, teremos 2,6V sobre o resistor R4, de 1K. Como essa tensão é fixada pelo zener, e a resistência também possui um valor fixo, a corrente que passa por R4 também será sempre constante em 2,6mA. Esta corrente passa pelo emissor-coletor de Q4 e "alimenta" a base do par darlington formado por Q1 e Q2. Supondo um ganho de 50 em cada transistor, o ganho total do par darlington será de 2500. Se o transistor Q1 estiver conduzinho a corrente máxima de 400mA, a corrente que entrará na base de Q2 será 2500 vezes menos, ou seja, de apenas 160uA. Quanto maior o ganho desses transistores, menor a corrente que entrará na base do primeiro.

Guarde isso na cabeça e vamos mudar um pouco o foco da análise. Vamos analisar o divisor de tensão na saída, formado por 2 resistores e um potenciômetro (melhor seria utilizar um trimpot). O terminal central do potênciômetro está ligado na base de um transistor NPN, o Q3. No emissor de Q3 existe um zener de 6,2V. Ou seja, a tensão no emissor será constante em 6,2V. Como há uma queda de tensão de 0,7V entre a base e o emissor, podemos dizer que a base está 0,7V acima dos 6,2V que existem no emissor. Ou seja, a tensão na base será constante em 6,9V. Vamos supor um trimpot de 500 Ohms exatamente na metade, ou seja, em 250 Ohms para cada "lado". Então a tensão de 6,9V estará sendo aplicada no resistor R2 de 1K em série com metade da resistência do trimpot, 250 Ohms. Dessa forma teremos 6,9V sobre uma resistência total de 1250 Ohms que resulta em uma corrente de 5,52mA. Como muito pouco dessa corrente está entrando pela base do transistor Q3, podemos supor os mesmos 5,52mA passando pela resistência de cima, que é 4,7K em série com a outra metade do trimpot, que resulta em 4950 Ohms. A corrente de 5,52mA sobre esse valor de resistência resulta em uma tensão de 27,32V. A tensão total no divisor completo é os 27,32V de cima somados com os 6,9V de baixo. A tensão total no divisor é, portanto, 34,2V. Como a saída está em paralelo com esse divisor, a carga receberia essa mesma tensão de 34,2V.

Para ajustar em 30V, teremos que botar na parte inferior do trimpot uma resistência de 413 Ohms. Com isso teremos os 6,9V sobre 1413 Ohms que resulta numa corrente de 4,88mA. Considerando essa mesma corrente sobre os 4787 Ohms da parte de cima do divisor, teremos uma tensão de 23,36V que, somada a tensão de 6,9 da parte inferior resulta numa tensão de 30,26V na saída.

O que acontece se a tensão na saída tentar subir? Se a tensão na saída subir, existirá mais tensão sobre o divisor de tensão formado pelos resistores + trimpot. Se a tensão sobre esses resistores aumentar, a corrente aumenta. Mas como a tensão na parte inferior do divisor é fixa e determinada somente pelo zener, a corrente nessa parte também deve ser fixa. Se a corrente aumenta, mas a corrente nessa parte é fixa, para onde vai a corrente? Para a base de Q3. Se há mais corrente na base de Q3, a condução coletor-emissor desse transistor aumenta, aumentando a corrente que passa por ele. Lembre-se que a corrente que passa por Q4 também é fixa. Se uma parte maior dessa corrente passa por Q4, sobra menos corrente para entrar na base do par darlington em Q2. Se entra menos corrente na base desse transistor, o transistor Q1 conduz menos. Se ele conduz menos fica mais tensão sobre ele e sobra menos tensão na saída. Resumo da ópera: Se a tensão tentar aumentar, o circuito vai ser realimentado negativamente e a tensão vai ser forçada a baixar, estabilizando-se.

E o que acontece se a tensão na saída tentar decair? Se a tensão na saída baixar, existirá menos tensão sobre o divisor de tensão formado pelos resistores + trimpot. Se a tensão sobre esses resistores baixar um pouco, a corrente abaixará um pouco também. Como a corrente na parte inferior desse divisor é fixa, significa que entrará menos corrente na base de Q4. Menos corrente na base significa menos condução entre coletor-emissor. Se a condução desse transistor baixar, mais corrente entrará na base de Q2 e, com isso, o par darlington passa a conduzir mais também. Se o transistor Q1 conduz mais, fica menos tensão sobre seus terminais emissor-coletor e sobra mais tensão na saída. Ou seja: Se a tensão tentar decair, o circuito vai ser realimentado negativamente e a tensão vai ser forçada a subir, estabilizando-se.

Vamos falar de alguns componentes não comentados na explicação. O resistor R3 de 6,2K serve para polarizar o diodo zener D1. Considerando a tensão na saída 30V e sabendo que sobre o zener ficará somente 6,2V, podemos inferir que a tensão sobre esse resistor seja de 23,8V. Com isso passará por ele uma corrente de 3,8mA, que é suficiente para fazer o diodo zener "funcionar". Este resistor, em resumo, garante que o diodo zener esteja polarizado de forma independente a corrente que passa por Q3.

O capacitor C6 e o resistor R6 são os únicos componentes que eu não entendi o que fazem neste circuito. Vamos ver o que o livro fala sobre eles:

"O capacitor de 0,01uF ligado do coletor para a base de Q3 foi acrescentado para evitar instabilidade de alta frequência. R6 também foi acrescentado para fornecer um percurso para as correntes de fuga e permitir a operação normal com baixas correntes de carga." Até que faz sentido!

O circuito, na simulação, se comportou muito bem. No simulador montei o circuito sem o capacitor. Lembrando que na simulação os componentes são, de certa forma, todos ideais. Acredito que com a figura, mais minha explicação e ainda somado com uma simulação em software, fique tranquilo para entender o funcionamento desse circuito. Qualquer dúvida, os comentários servem para isso. Sugestão? Os comentários servem para isso também. Eu errei alguma coisa? Me avisem pelos comentários.

Para o próximo post, trarei um outra fonte com transistores que é mais simples. Agora fica a pergunta: Qual o motivo de começar pelo mais difícil? Sei lá. Eu já tinha feito a post quando me lembrei que tinha outra fonte dessas muito mais simples. Enfim, c'est la vie! Abraço, se cuidem e até a próxima. ;) Talvez eu demore um pouco até a próxima pois estou lendo o livro "Análise e Projeto de Fontes Chaveadas", de Luiz Fernando Pereira de Mello. Quem sabe não tiro umas idéias de lá. :P