Circuitos reguladores de tenso com diodo zener e transistor bipolar de juno

1) Noes sobre o transistor bipolar de juno (TBJ) smbolo do TBJ NPN: um dispositivo de trs terminais em que a corrente atravs de um deles (base B) controla a corrente atravs dos outros dois (coletor C e emissor E). Se polarizado na regio ativa, a corrente de coletor e de emissor so verses amplificadas da corrente de base. Para os fins deste projeto basta-nos saber que o transistor bipolar de juno vai funcionar como um amplificador de corrente na regio ativa valendo as relaes:

IC = IB IE = IC + IB = ( + 1)IB

(sendo um ganho da ordem de centenas informado pelo fabricante; depende do nvel de corrente)

VBE = 0,6 a 0,7 volts (transistores de silcio NPN) Alm disto, para operar na regio ativa, deve ser observada a seguinte condio:

VCE > VCESAT = 0,2 volts (transistores de silcio NPN)

2) Arquitetura de regulador para fonte de tenso no ajustvel A seguinte arquitetura de regulador, embora fornea uma tenso fixa na sada servir para o melhor entendimento da arquitetura do item 3.

E

C B

+ VS -

- VBE +

+ VZ -

+ VO -

IE = IO IC

IR1

IZ

IB

T1

R1

RL

VS, tenso de entrada do estgio regulador, a tenso na sada do retificador filtrado, portanto apresenta uma ondulao devida carga e descarga peridicas do capacitor. Consideremos que VS oscila entre os valores VSmin e VSmx. A tenso de sada : VO = VZ - VBE Este valor aproximadamente constante (varia quase imperceptivelmente com a corrente de carga IO), mas deve-se observar que, em se desejando uma tenso de sada de 12 volts (por exemplo), a tenso nominal do zener deve ser um pouco maior (12,6 a 12,7 volts). Uma alternativa associar em srie ao zener um diodo semicondutor comum com o catodo conectado ao catodo do zener.Neste caso a queda de tenso no diodo compensa a queda entre a base e emissor do TBJ. Para o circuito funcionar corretamente a corrente IZ deve ficar entre os valores IZmin e IZmx que limitam a poro linear da caracterstica volt-ampre na regio de ruptura, onde o zener pode operar como regulador (tenso quase constante com a corrente) em segurana (ou seja, sem risco de se sobreaquecer por efeito Joule). Deve-se recordar que IZmin a corrente na fronteira do joelho com a poro linear da curva e que IZmx = Pmx/VZ..

1I

RVV

III O1

ZSB1RZ +

== Piores casos:

(i) VS = VSmin e IO = IOmx: minZOmx

1

ZminSZ I1

IR

VVI >+

=

(ii) VS = VSmx e IO = 0: Zmx1

ZSmxZ IR

VVI 0,2 volts, logo: VSmin VO > 0,2 volts.

Esta condio pode ser utilizada para dimensionar o capacitor do filtro, juntamente com o ripple. O ripple r1 na sada do filtro bem maior que o ripple r2 na sada do regulador. Para este ltimo existe uma especificao. O coeficiente de estabilizao do regulador pode ser utilizado para calcular r1 a partir do r2 especificado. Na falta de dados para avaliar o coeficiente de estabilizao, pode-se conferir os valores do ripple atravs de simulao.

3) Arquitetura de regulador para fonte de tenso ajustvel A seguinte arquitetura de regulador uma sugesto para a implementao da fonte solicitada. Alernativamente pode-se utilizar retificao de onda completa com dois diodos e transformador com derivao central ou retificao de meia onda.

Quanto anlise do regulador, a introduo do transistor T2 insere vrias alteraes. Desprezando a corrente de base de T2:

( )2BEZ43

2O

O432

432BEZ

VVRR

R1V

VRRR

RRVV

+

++=++

+=+

O potencimetro permite o ajuste da tenso de sada. Para limitar a variao, foi acrescentado o resistor R4 fixo. O valor mnimo da tenso de sada VZ + VBE2. O dimensionamento de R1 tambm modificado:

++++

=

=+==

O432

O

11

1BEOSZ

1B1R2C2C2

22EZ

IRRR

V1

1R

VVVI

IIII1

II

+ VS -

- VBE1 +

+ VZ + VBE2 -

+ VO -

IE1 IC1

IR1

IZ

IB1

T1

R1

RL T2

R2

R3

R4

IO

Na expresso acima, estamos desprezando a corrente de base de T2, o que razovel se o ganho 2 grande. Piores casos:

(i) VS = VSmin, IO = IOmx e VO = VOmx:

minZOmx432

Omx

11

1BEOmxminSZ IIRRR

V1

1R

VVVI >

++++

= (ii) VS = VSmx, IO = 0 e VO = VOmin:

Zmx432

minO

11

1BEminOSmxZ IRRR

V1

1R

VVVI 0,2 volts), devemos ter:

VSmin VO > 0,2 volts

VBE1 + VO VZ > 0,2 volts As observaes relativas a VSmx e VSmin do item (2) so vlidas aqui, exceto que para se avaliar o valor mnimo da resistncia de carga equivalente vista pelo retificador filtrado, pode-se fazer de forma bastante conservativa:

mxZ

432

OO

minSmin

IRRR

VI

VR

++++