Regulador de Tensão Simples
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Regulador de Tensão Simples Lucas Silva Lopes, 11/0129482 Resumo—Apresentou-se os problemas inerentes de uma fonte de tensão constituída apenas de um transformador, uma ponte retificadora de onda completa e um capacitor. Propôs-se a utilização de um circuito regulador, que reduziria a dependência da tensão (RMS) da rede, e a dependência da corrente de carga. O circuito resultante mostrou-se satisfatório com relação aos testes realizados. 1. INTRODUÇÃO A Figura 1 mostra a fonte de alimentação desenvolvida em [1] para converter a tensão AC proveniente da rede de distribuição de energia elétrica em tensão DC. Figura 1 —Fonte de alimentação desenvolvida em [1]. O valor do capacitor é 150μF. Pode-se reduzir a ondulação na tensão de saída da ponte retificadora para qualquer nível, escolhendo-se capacitâncias suficientemente elevadas. Contudo, os capacitores necessários seriam volumosos e caros. Além disso, há outras causas para a variação da tensão de saída: a tensão DC (offset) na saída da ponte é basicamente proporcional à tensão AC (RMS) na entrada do transformador; a tensão de saída também varia com a carga, pois a resistência de Thevenin equivalente do circuito da Figura 1 não é nula [2]. Portanto, pode-se verificar duas características que um circuito intermediário deve ter para ser colocado entre a fonte de alimentação da Figura 1 e o circuito final a que se pretende alimentar: deve manter uma tensão offset constante, independente de variações na tensão RMS da rede; deve possuir uma pequena resistência de saída, no mínimo menor do que aquela do circuito da Figura 1. Como será visto mais adiante, uma classe de circuitos capazes de atender a essas especificações são os reguladores de tensão. Estes são circuitos com realimentação que “olham” a sua saída e são capazes de fazer alterações em seus circuitos para manter a saída constante [2]. 2. OBJETIVO Melhorar a tensão DC obtida da tensão AC da tomada quando se utiliza apenas um transformador, uma ponte retificadora de onda completa e um capacitor. 3. DESENVOLVIMENTO Um circuito regulador de tensão pode ser construído da seguinte forma: Um diodo Zener pode ser utilizado inversamente polarizado para manter uma tensão praticamente constante independente da tensão de entrada. Tal diodo utiliza do Efeito Zener e é capaz de manter a tensão mais constante que os diodos convencionais. O módulo da Tensão Zener é geralmente bem maior que o módulo da tensão de ruptura, que por sua vez é bem maior que a queda de tensão direta de um diodo comum [3][4]. O diodo Zener é colocado em série com um resistor, seu anodo conectado ao terra, seu catodo conectado ao resistor e à saída. A entrada é conectada ao outro terminal do resistor. O problema deste circuito como está é que a tensão de saída varia com a corrente da carga [5]. Para se resolver este problema, pode-se conectar a saída a um Seguidor de Tensão. O circuito Seguidor de Tensão é baseado no amplificador operacional. O amplificador operacional é um circuito com duas entradas, inversora e não- inversora, (quatro se as tensões de alimentação positiva e negativa forem consideradas) e uma saída. A saída é a diferença amplificada das duas entradas (não-inversora menos inversora). A análise de primeira ordem de um circuito baseado em um amplificador operacional considera o caso ideal. Depois, se necessário, pode-se
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Relatório experimento 5, laboratório de eletrônica 1, unb, primeiro semestre de 2015
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Regulador de Tenso Simples Lucas Silva Lopes, 11/0129482ResumoApresentou-seosproblemasinerentesde umafontedetensoconstitudaapenasdeum transformador,umaponteretificadoradeonda completa e um capacitor. Props-se a utilizao de um circuitoregulador,quereduziriaadependnciada tenso (RMS)darede,eadependnciadacorrentede carga.Ocircuitoresultantemostrou-sesatisfatrio com relao aos testes realizados.1.INTRODUO AFigura1mostraafontedealimentao desenvolvidaem[1]paraconverteratensoAC provenientedaredededistribuiodeenergiaeltrica em tenso DC. Figura1Fontedealimentaodesenvolvidaem[1].O valor do capacitor 150F.Pode-sereduziraondulaonatensodesadada ponteretificadoraparaqualquernvel,escolhendo-se capacitnciassuficientementeelevadas.Contudo,os capacitores necessrios seriam volumosos e caros. Alm disso,houtrascausasparaavariaodatensode sada:atensoDC(offset)nasadadaponte basicamenteproporcionaltensoAC(RMS)na entradadotransformador;atensodesadatambm variacomacarga,poisaresistnciadeThevenin equivalente do circuito da Figura 1 no nula [2].Portanto,pode-severificarduascaractersticasque umcircuitointermediriodeveterparasercolocado entreafontedealimentaodaFigura1eocircuito finalaquesepretendealimentar:devemanteruma tensooffsetconstante,independentedevariaesna tensoRMSdarede;devepossuirumapequena resistnciadesada,nomnimomenordoqueaquela do circuito da Figura 1. Comoservistomaisadiante,umaclassede circuitoscapazesdeatenderaessasespecificaesso osreguladoresdetenso.Estessocircuitoscom realimentao que olham a sua sada e so capazes de fazeralteraesemseuscircuitosparamanterasada constante [2].2.OBJETIVO MelhoraratensoDCobtidadatensoACda tomadaquandoseutilizaapenasumtransformador, umaponteretificadoradeondacompletaeum capacitor. 3.DESENVOLVIMENTOUm circuito regulador de tenso pode ser construdo da seguinte forma:UmdiodoZenerpodeserutilizadoinversamente polarizadoparamanterumatensopraticamente constanteindependentedatensodeentrada.Tal diodoutilizadoEfeitoZenerecapazdemantera tensomaisconstantequeosdiodosconvencionais.O mdulo da Tenso Zener geralmente bem maior que o mdulodatensoderuptura,queporsuavezbem maiorqueaquedadetensodiretadeumdiodo comum [3][4]. O diodo Zener colocado em srie com um resistor, seu anodo conectado ao terra, seu catodo conectado ao resistoresada.Aentradaconectadaaooutro terminaldoresistor.Oproblemadestecircuitocomo estqueatensodesadavariacomacorrenteda carga[5].Paraseresolveresteproblema,pode-se conectar a sada a um Seguidor de Tenso. OcircuitoSeguidordeTensobaseadono amplificadoroperacional.Oamplificadoroperacional umcircuitocomduasentradas,inversoraeno-inversora, (quatro se as tenses de alimentao positiva e negativa forem consideradas) e uma sada.A sada a diferenaamplificadadas duasentradas(no-inversora menosinversora).Aanlisedeprimeiraordemdeum circuitobaseadoemumamplificadoroperacional consideraocasoideal.Depois,senecessrio,pode-se considerar as no idealidades [5]. No caso ideal, o amp-oppossuiinfinitoganhodetenso,infinitaimpedncia deentradaeimpednciadesadanula,paraqueo ganho global seja mximo, independenteda resistncia deentradaedosvaloresdecarga[6].Comocircuitos realsticosapresentamtensesdesadacomvariao finita(ovalormximodadopelatensode alimentaopositivaeovalormnimodadopela tensodealimentaonegativa),seoganhotendea infinito, ento a diferena entre as entradas tende a um valorpequeno,praticamentezero[5][6].Naprtica,o ganhodemalhaabertanoinfinito,masbem elevado. Valores tpicos esto entre 10.000 e 1.000.000 [6].Entodefatopode-seconsideraradiferena entre as entradas infinitesimal. Umavezconhecendoofuncionamentodo amplificadoroperacional,pode-seanalisaroseguidor detenso.Nestecircuito,asadadoamp-op conectadaentradainversora.Seaentradano-inversoraaumentacomrelaoinversora,asada aumentar,ecomoestaestconectadaaentrada inversora, a diferena entreas entradas diminuir. Sea entrada no-inversora diminui com relao inversora, a sada diminuir, e como esta est conectada a entrada inversora,adiferenaentreasentradasdiminuir.O resultado final que a sada do circuito segue a entrada no-inversora.DaonomeSeguidordeTenso.Por causa da suposio de impedncia de entrada infinita, a entrada no inversora do seguidor de tenso no drena corrente(casoideal)oudrenamuitopoucacorrente (casoreal).Porcausadissoatensonasadado divisorresistor-Zenernovariaeresolveu-seo problema de a tenso de sada variar com a corrente de carga. Mas agora h o problema de fornecer a tenso carga.Comoaimpednciadesada(equivalentede Thevenin)doamp-opnula(casoideal)oumuito pequena(casoreal),atensodesadavaitodaparaa carga, e o problema foi, ento, resolvido.H mais uma melhoria que pode ser feita no circuito regulador.Seacargaexigirumcorrentemaiorqueo amplificadorpodefornecer,estepodeserconectado basedeumtransistorBJT,comocoletorconectado tensodealimentaopositiva,eacargaconectada entreoemissoreatensodealimentaonegativa.O transistorestnomodoativo(Vbc0).A correntepassandopelacargaservezesmaiorque aquela exigida pela base do transistor, onde o ganho decorrente.Pormatensosobreacargadiminuiu. Istopodesercontornadoconectando-seoemissordo transistoraoinvsdasadadoamp-opentrada inversoradoamp-op.Similaraoquefoidito anteriormente,atensodoemissortenderaseguira tensodaentradano-inversora,poisasadaser ajustadademodoaestasduastensesse aproximarem. O resultado final mostrado na Figura 2. Figura 2 Circuito regulador de tenso desenvolvido.4.PROCEDIMENTOS Listadedispositivos:umamplificadoroperacional LM741;umdiodoZener1N4733;umtransistorNPN BC548; um resistor de 4.7 K; um resistor de 1 K. Primeiro, montou-se o circuito conforme a Figura 3. Figura 3 Circuito regulador de tenso montado.AtensodeentradaVinfoiconectadafontede alimentao da bancada, que foi ajustada para fornecer 10V. Foi medida a tenso sobre o diodo Zener (entrada doSeguidordeTenso)utilizando-seomultmetroe obteve-se4.354VDC.AtensodesadaVout,medida tambm com o multmetro, foi 4.178 VDC.AtensonominaldodiodoZener1N4733,auma temperaturaambientede25C,5.1Vparauma correntedetestede49mA[7].Estasnosoas condies em que o diodo se encontra, portanto de se esperarqueatensomedidasejadiferente.Defato,a quedadetensosobreoresistor10V-4.354V= 5.646V,portantoacorrentepassandoporele(epelo diodo) aproximadamente 1.2 mA. Atensonasadadocircuitomostrou-semuito prximadatensosobreodiodo.Noentanto,houve ainda uma diferena de 0.176 V. Causas dessa diferena podemser:aimpednciadeentradadoamp-opno infinita,comopreviamentesuposto;aimpednciade sada do circuito no nula. Em seguida retirou-se o ramo esquerda do circuito (resistorediodo),econectou-seaentradano-inversoradoamplificadoraogeradordefunesda bancada,configuradoparagerarumatensosenoidal defrequncia100KHz,amplitudede500mVpico-a-picoetenso offsetde1.2VDC.Oobjetivofoitestaro circuito seguidor de tenso (mesmo com a presena do transistor,ocircuitocontinuasendoumseguidorde tenso). O resultado mostrado na Figura 4. Figura 4 Entrada e sada do circuito seguidor de tenso. Acoplamento DC.Paraqualificarmelhoraperformancedocircuito seguidor detenso, convm utilizar acoplamento AC. A causadeasduasformasdeondanoestarem centradasnomesmovalorjfoiexplicada anteriormente.AFigura5mostraasmesmastenses medidasnaFigura4,squeagoracomacoplamento AC. Figura 5 Entrada e sada do circuito seguidor de tenso. Acoplamento AC.Pode-se observar que o ganho do seguidor de tenso no foi exatamente unitrio. Pode-se observar tambm quehouveumatrasodaondadesadacomrelao ondadeentrada.Taisfatospodemserjustificados pensando-se no circuito como um sistema linear (vlido parapequenossinais)quepossuiumafunode transferncia.Tantooganhoquandoafasedafuno detransfernciavariamcomafrequncia.Paraa frequnciade100KHz,peloqueseobserva,ocircuito daFigura3jcausaumaatenuaoeumatraso considerveis. 5.CONCLUSO Para solucionar os problemas de a tenso (offset) de sada do circuito da Figura 1 variar com a tenso(RMS) daredeevariarcomacorrentedecarga,propsa utilizaodocircuitodaFigura2.Estecircuitofoi projetadoparaterumatensoaproximadamente constante,independentedatensodeentrada(desde queestasejamaiorqueatensoZenerdodiodo),e paraterumabaixaresistnciadesada,eportanto dependermenosdacarga.Ocircuitoconstrudofoi capazdemanterumatensoaproximadamente constante,iguala4.178V,menordoqueatensode entrada,iguala10V.Mesmoqueatensodeentrada aumentasse(para12Vporexemplo),oudiminusse (para8Vporexemplo)atensodesadasemanteria aproximadamente 4.178 pelo fato de a queda de tenso nodiodoZenerpermaneceraproximadamente constante.Nesteexperimentonosevariouacarga, portanto no se validou a segunda caracterstica.6.REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Lucas Silva Lopes, Conversor AC-DC com Diodos. UnB, 2015. [2] Paul Horowitz, Winfield Hill. The Art of Electronics. Cambridge University Press, 1989. [3]http://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/zener-diodes/ [4] http://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_Zener [5] Behzad Razavi. Fundamentals of Microelectronics. John Wiley & Sons, 2013. pp. 85, 99. [6] J. David Irwin. Basic Engineering Circuit Analysis. John Wiley & Sons, 2002.[7] Fairchild. 1 W Silicon Zener Diodes. 1N4733 datasheet.
