Reguladores de três terminais - Como projetar uma fonte de alimentação

 Introdução

    Regulador de tensão de três terminais é um dos circuitos integrados mais usados na eletrônica moderna, é um componente que está disponível no mercado desde o final da década de 1970 e nunca tivemos uma variedade tão grande de tipos de reguladores de tensão como agora, diferentes tipos de potência de saída e diferentes encapsulamentos, uma variedade quase que infinita de modelos hoje disponível no mercado (e na sucata) para técnicos e hobbystas usar em seus projetos.
    Esse pequeno artigo tenta descrever - de forma simples e prática - uma forma segura e confiável para você projetar suas fontes de alimentação usando reguladores de tensão, minha intenção foi pegar as principais informações sobre regulador nos datasheets/databooks e juntar com a lei de ohm para escrever esse artigo e tentar ajudar quem precisa e quer aprender mais sobre o assunto.

Conhecendo o regulador de três terminais

    Os reguladores de três terminais, tanto aqueles de tensão de saída fixa quanto de tensão de saída variável possuem o mesmo tipo de circuito interno, diferenciando apenas pelo valor da tensão de referência interno fornecida por um diodo zener.
    
    Na figura 1 vemos como esse circuito é constituído.

 

Fig. 01

    O funcionamento do circuito é bem simples, o dispositivo de potência é formado por dois transistores ligados em configuração darlington, a tensão de entrada é ligada no coletor desse darlington de potência que é controlado por meio de um amplificador operacional ligado a sua base, no emissor tem a tensão de saída estabilizada.
    O amplificador operacional na configuração como está nesse circuito é conhecido pelo nome de amplificador de erro, ele “pega” uma amostra da tensão da saída e compara com uma tensão fixa fornecida por um diodo zener, esse diodo zener é polarizado usando um circuito de corrente constante para que a variação da tensão na entrada não influencie na estabilidade do zener e como consequência, a saída do regulador. Em circuitos de fontes de alimentação que usam a etapa reguladora com componentes discretos, a tensão de amostra da saída, para controlar o amplificador de erro, normalmente é coletada no borne positivo de saída da fonte para melhorar a estabilidade, mas nesse caso, como o circuito está dentro do regulador, o sensor de tensão passa a ser o cátodo do diodo, isso é no LM317 o terminal de ajuste e nos reguladores de tensão fixa, o terminal negativo, assim tanto reguladores de tensão fixa como de tensão variável, o negativo usado nesse terminal deve ser ligado diretamente no borne de saída da fonte para melhorar a estabilidade de tensão do regulador.
 

    Os circuitos de proteção são conectados na base do darlington de potência, assim qualquer problema eles assumem o controle do transistor para desligar o regulador. Os circuitos protegem contra curtos na saída, altas temperaturas causadas pelo excesso de potência dissipada e mantém o regulador na área segura de operação, por isso, qualquer funcionamento indevido ele desliga, fica quase impossível queimar um componente como esse.
    O diodo zener do circuito da figura 1 determina a tensão de saída da fonte, por ex., o regulador LM317 possui um zener de 1,25V, se você conectar o terminal de ajuste junto com o negativo da fonte, a tensão de saída será de 1,25V, nos reguladores de tensão fixa, esse diodo tem o mesmo valor da tensão de saída do regulador e o terminal passa a ser o negativo (GND).

Encapsulamento e ligação dos terminais

    Na figura 2 temos o desenho e a pinagem do encapsulamento mais comum (TO-220) usado nos reguladores com tensão de saída fixa ou variável.

Fig. 02

    Na tabela abaixo temos um resumo da pinagem dos principais reguladores com encapsulamento TO-220.

 

	Pinagem
Tipo de regulador	1	2	3
Tensão positiva	entrada	negativo	saída
Tensão negativa	negativo	entrada	saída
Tensão positiva variável	ajuste	saída	entrada
Tensão negativa variável	ajuste	entrada	saída

 

    Existem outros encapsulamentos menos comuns que não vou mostrar aqui, se alguém quiser conhecer outros tipos de encapsulamentos, procure pelo datasheet do componente, pois tem fabricantes que não trabalha com alguns tipos de encapsulamentos.

Circuito básico do regulador

O circuito básico de ligação utilizado nos reguladores fixos é visto na figura 3.

 

Fig. 03

 

    Esse é o circuito mais simples que pode ser usado com o regulador, os valores do capacitor da entrada (C_IN) e do capacitor de saída (C_OUT) podem variar de acordo com o fabricante, mas é comum o uso de capacitores cerâmicos de 100nF na entrada e 1µF_[1] de tântalo na saída.
    Na figura 4 temos o circuito básico de ligação utilizado em um regulador de saída variável como o LM317.

Fig. 04

    Esse é o circuito mais simples, R1 e R2 fazem o divisor de tensão para determinar a tensão da saída, conforme varia R2, varia também a tensão no pino de ajuste e como consequência a tensão da saída, é bom lembrar que esse divisor de tensão usado nos reguladores de saída variável, também pode ser usado nos reguladores fixos, a diferença é que a tensão mínima de saída será sua tensão nominal, por ex., em um regulador do tipo 7805 que possui uma tensão de saída fixa de 5V não vai ser possível ajustar a saída para obter tensões menores que 5V, 7809 mín. de 9V e assim por diante.
    É comum usar um valor de 5kΩ para R2, mas se quiser calcular R2 com maior precisão pode usar a fórmula abaixo:

    V_ref é a tensão de zener (1,25V) e I_adj é igual a 50 μA_[2]. R1 não pode ser menor que 120Ω para não afetar a estabilidade do regulador.

Circuito básico de uma fonte

    O circuito básico de uma fonte linear usando regulador de tensão pode ser visto na figura 5.

 

Fig. 05

    As principais etapas dessa fonte são:
 

- Transformador;
- Retificador;
- Capacitor de filtro;
- Regulador

Transformador
 

    A função do transformador é reduzir a tensão da rede (127V/220V) para valores mais práticos para uso no circuito, o transformador é o coração de uma fonte linear, qualquer alteração na corrente e tensão da fonte depende do transformador.

Retificador

 
    A função do retificador é transformar a tensão AC que sai do transformador em uma tensão quase contínua, eu falei quase porque o resultado da retificação é uma tensão pulsada_[3] que depois de filtrada e regulada se transforma em uma tensão contínua.

Capacitor de filtro

 
    A função do capacitor de filtro é filtrar a tensão pulsada transformando em uma tensão mais contínua, transformando em uma tensão CC, é nessa etapa que é eliminado o ruído de 60Hz tão conhecido em amplificadores, o famoso huuummmmm de fundo quando aumenta o volume sem som.

Regulador
 

    A principal função do regulador é manter os níveis de tensão da fonte estáveis mesmo com a variação da carga, outra função pouco falada do regulador é reduzir os níveis de ripple da saída, isso é feito filtrando a tensão de referência que só é possível no caso do LM317, reguladores fixos não existe essa opção, por isso podemos concluir que se você necessita de uma fonte bem filtrada é melhor o uso do LM317 do que os reguladores de tensão fixa.

Projeto de uma fonte usando reguladores de tensão de saída fixa
 

    Para o cálculo da fonte é necessário saber qual é o tipo da carga que vai ser alimentada para saber a quantidade máxima de ripple_[4] na saída, assim uma fonte que vai ser usada para alimentar um painel de LEDs ou um motor não necessita de baixo ripple na saída como uma fonte que vai alimentar um pré-amplificador de áudio podendo assim economizar dinheiro na escolha do capacitor de filtro otimizando o circuito.
     

    Vamos tomar as seguintes características como exemplo de projeto de fonte da figura 6:

- Tensão de saída = 12V
- Corrente máx. de saída = 1A
- Potência na saída = 12W

 

Fig. 06

    Para uma saída fixa de 12V vamos usar o regulador 7812, para o cálculo do transformador T1 é necessário considerar a queda de tensão e as perdas de potência na retificação e no regulador.

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As quedas de tensão são:

 
Retificação
Meia onda = 0,6 a 0,7V
Onda completa, dois diodos = 0,6 a 0,7V
Onda completa em ponte = 1,2 a 1,5V
 

Regulador = 3V_[5]
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    As quedas de tensão nesse circuito são 1,5V da ponte retificadora e 3V do regulador de tensão, portanto uma queda total de 4,5V

    Multiplicando as quedas de tensão pela corrente temos as perdas de potência: 

Retificador onda completa em ponte >>>> 1,5V x 1A = 1,5W
Regulador >>>> 3V x 1A = 3W
 

    Sendo assim, agora podemos calcular as características do transformador:

- tensão do secundário = 12V(saída) + 1,5V(retificador) + 3V(regulador) = 16,5Vac

- potência no secundário = 16,5W + 1,5W(retificador) + 3W(regulador) = 21W

- corrente do secundário = 21W/16,5V = 1,27A

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As características do transformador são:

- primário de acordo com a rede [127V/220V]
- secundário com 16,5V x 1,27A @ 21W

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    Essa é a tensão e corrente mínima que deve ter o secundário do transformador para se ter uma tensão de 12V x 1A estabilizada na saída, é bom lembrar que um transformador ligado sem carga apresenta uma tensão maior no secundário do que sua tensão nominal. Transformadores toroidais têm uma diferença menor na tensão do secundário sem carga devido à menor perda. É obrigatório o uso de um fusível no primário do transformador, para calcular o valor do fusível basta dividir a potência do transformador pela tensão de entrada no primário, isso é, 21W / 127V = 165mA(aqui você pode arredondar para 200mA).

    Para calcular a etapa de retificação basta usar um diodo retificador com uma corrente de trabalho igual à corrente do secundário e uma tensão de trabalho de pelo menos duas vezes a tensão do secundário como valores mínimos, sendo assim, usando retificador de onda completa em ponte devemos usar quatro diodos com as seguintes características:

Corrente = 1A
Tensão = 35V 

    Para o cálculo do capacitor de filtro podemos usar uma regra que determina 2000μF/A, assim para nossa fonte de 1A é necessário um capacitor de 2000μF. Para cargas que não necessitam de muita filtragem como lâmpadas, reles, motores, LEDs, etc., pode usar menos filtragem, nesse caso para fontes de até 1A pode ser usado um simples capacitor de 470μF. Para fontes com mais filtragem pode usar um capacitor de 4700μF, não é bom usar valores maiores que esse para não comprometer a integridade da ponte retificadora, pois quando a fonte é ligada e os capacitores estão descarregados, eles formam um curto circuito e podem literalmente explodir quando a fonte é ligada.

    Para calcular a tensão mínima de trabalho dos capacitores é necessário primeiro obter a tensão de pico do secundário, para isso, multiplicamos a tensão do secundário por raiz quadrada de dois:

16,5V x √2 = 23,33Vp

    Acrescenta-se 20% a mais para se ter uma margem de tolerância:

23,33V + 20% = 28V

    Essa é a tensão mínima de trabalho do eletrolítico de filtro e qualquer outro capacitor usado antes do regulador. Para calcular a tensão mínima dos capacitores da saída basta fazer o mesmo cálculo, mas usando a tensão de saída do regulador e não a tensão do secundário. Como a tensão de entrada do regulador sempre é maior que a tensão de saída, você pode usar os mesmo valores calculados para os capacitores da entrada.

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Com os valores arredondados para valores comerciais próximos, a lista de componentes ficou assim:

T1 – primário 127/220V // secundário 17V x 1,3A @22W
U1 - (4X) 1N4002
IC1 - 7812
C1 - 2200μF x 35V (capacitor eletrolítico)
C2 - 100nF x 25V (capacitor cerâmico)
C3 - 1μ x 25V (capacitor de tântalo)
D1 - 1N4007 (o uso desse diodo é opcional, ele é usado para proteção do regulador contra descargas do C3)
D2 - 1N4007 (usar esse diodo em caso de carga indutiva como motores, solenóides, reles, etc.)

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    Esse tipo de cálculo pode ser usado para reguladores de tensão de saída fixa ou variável, secundário com ou sem derivação central, a diferença é que para tensão de saída variável, usar a tensão máxima como tensão de saída no exemplo do cálculo e transformadores com derivação central no caso do exemplo usar 17+17V.

    O regulador deve ter um bom dissipador de calor, a capacidade de dissipação do regulador não passa dos 12W, portanto, se a tensão de entrada for muito maior que a tensão de saída, a dissipação será grande e não será possível extrair toda a corrente indicada no datasheet, por ex., se você tem 25V na entrada de um regulador tipo 7805, a diferença será de 17V com uma corrente de 1A a potência chegará a 17W e o regulador irá desligar devido a temperatura, nesse caso a corrente máxima de saída será limitada em torno de 700mA.

    Esse tipo de circuito funciona muito bem, mas não tem tanta eficiência como os conversores chaveados, por isso, não são aconselháveis quando a questão da eficiência for determinante para o projeto.

    No meu canal no youtube_[6] você pode achar vídeos mais específicos e detalhados sobre os reguladores de três terminais, principalmente o LM317.

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Notas e referências:

[1] Cada 1μF de capacitor de tântalo equivale a 25μF de capacitor eletrolítico
[2] Voltage Regulator Handbook (1980) - National Semiconductor
[3] Essa tensão tem a frequência de 120Hz
[4] Ripple é um pequeno ruído residual de 120Hz que resulta da retificação da tensão AC, quanto maior for o valor do capacitor de filtro, menor é o ripple.
[5] Para maior precisão, esse valor de queda pode ser consultado no datasheet do componente, é o parâmetro conhecido como dropout.
[6] https://www.youtube.com/c/picco02