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Curso de Eletrônica Analógica – Parte 2 - Fontes de Alimentação e Circuitos com Diodos (CUR2002)

2.1 - A Fonte de alimentação

A maioria dos circuitos eletrônicos dos equipamentos de uso doméstico (aparelhos de som, televisores, etc.), automação, instrumentos, etc. funciona com corrente contínua que, conforme vimos, é caracterizada pelo sentido único de circulação, além de ter uma intensidade constante.

Nos aparelhos portáteis e de uso em automóveis, a energia necessária para o funcionamento, na forma de corrente contínua, pode ser obtida diretamente a partir de pilhas ou baterias.

As pilhas, de diversos tamanhos, podem ser associadas no sentido de se obter uma tensão maior do que a que uma única pilha pode fornecer sozinha, formando assim uma “bateria”.

Estas fontes de energia, também chamadas de “fontes de alimentação”, são bastante cômodas, pelo fato de serem portáteis e, quando esgotadas, poderem ser facilmente trocadas ou mesmo recarregadas (caso das baterias de Níquel-cádmio ou das baterias Chumbo-Ácido, como as usadas nos automóveis e que podem ser vistas clicando-se na figura abaixo).

 

Pilhas e baterias consistem em fontes de alimentação de corrente contínua
Pilhas e baterias consistem em fontes de alimentação de corrente contínua

 

 

No entanto, muitos aparelhos são alimentados a partir da rede local de energia, que fornece tensões de 110 Volts (117 ou 127 V na realidade), ou de 220 Volts conforme a localidade, o que de certo modo significa uma comodidade e economia, pois a energia obtida a partir da rede local é mais barata que a energia obtida de pilhas. Mas, a energia da rede é disponível numa forma diferente, o que significa um pequeno problema que só pode ser resolvido com um circuito especial.

Na rede local de energia, ou seja, nas tomadas de energia elétrica de nossa casa, temos disponibilidade de corrente alternada (abreviada por AC ou CA), enquanto que os circuitos eletrônicos comuns, como os encontrados em rádios, televisores, amplificadores e muitos outros, precisam de corrente contínuas para funcionar.

Isso significa que, nos aparelhos que funcionam ligados na rede de energia, como os computadores, televisores, aparelhos de som, etc., os quais possuem circuitos internos que operam somente com correntes contínuas, é preciso haver algum tipo de circuito especial que converta a tensão alternada em contínua, e muito mais que isso: se na tomada temos uma tensão de 110 V ou 220 V fixos, este nem sempre é o valor de tensão que os circuitos precisam para funcionar.

O circuito especial que faz isso, ou seja, converte a tensão alternada em contínua e altera seu valor segundo as necessidades do aparelho alimentado recebe o nome de “Fonte de Alimentação”. Veja a figura abaixo.

 

Uma fonte converte 110 V ou 220 V CA em uma tensão contínua de acordo com as necessidade do circuito alimentado
Uma fonte converte 110 V ou 220 V CA em uma tensão contínua de acordo com as necessidade do circuito alimentado

 

 

As fontes de alimentação utilizam diversos componentes, os quais são agrupados em estágios ou etapas, cada conjunto ou etapa exercendo uma função. Estes conjuntos, andares ou etapas podem ter as mais diversas configurações, segundo o que desejamos de uma fonte. Na figura abaixo mostramos as 4 etapas básicas de uma fonte de alimentação.

 

Blocos de uma fonte linear
Blocos de uma fonte linear

 

 

Dependendo da utilização, a fonte pode ter apenas 3 destas etapas e em alguns casos até mesmo duas. Para facilitar o leitor, estudaremos separadamente cada uma das etapas até chegar numa fonte de alimentação completa.

 

2.2 – O transformador e sua função

O primeiro bloco de uma fonte de alimentação, geralmente, é constituído por um componente único, que é o transformador. O transformador tem dupla função.

Conforme estudamos, ao aplicar uma tensão alternada no enrolamento primário de um transformador, obtemos em seu secundário uma tensão também alternada, mas de valor modificado segundo a relação que existe entre as espiras deste componente.

Assim, se tivermos um transformador que tenha 1 000 espiras de fio de cobre fino em seu enrolamento primário e aplicarmos 110 V, a tensão obtida no secundário será de 11 V apenas, se este enrolamento tiver 100 espiras. O fio usado, neste caso, deve ser mais grosso que o do primário porque, o que perdemos em termos de tensão, obtemos na capacidade de corrente. Se a corrente no primário for de 100 mA, a corrente máxima que obtemos no secundário será 1 ampère, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

O funcionamento do transformador
O funcionamento do transformador

 

 

Um transformador, numa fonte de alimentação, pode ser usado tanto para diminuir como para aumentar a tensão, de acordo com as necessidades do projeto.

Veja, entretanto, que no secundário do transformador ainda obtemos uma tensão alternada, o que não serve para alimentar os circuitos. Desta forma, para alimentar circuitos eletrônicos a partir da rede local, ao contrário do que muitos pensam, não se usa somente um transformador. É preciso algo mais que veremos mais além.

Um fator importante, que deve ser observado no uso de um transformador ligado na rede local de alimentação, é a fase da tensão que obtemos. Conforme estudamos, uma corrente alternada se caracteriza por variações entre máximos e mínimos, que são representadas por uma curva denominada senóide, conforme o leitor pode ver clicando na figura abaixo.

 

A tensão alternada da rede de energia
A tensão alternada da rede de energia

 

 

Conforme podemos ver, temos instantes em que a corrente circula num sentido (semiciclos positivos), e instantes em que a corrente circula no sentido oposto (semiciclos negativos). Quando ligamos um transformador na rede local de CA, a tensão alternada que obtemos no enrolamento secundário, acompanha as variações do primário, ou seja está em fase com o primário, conforme mostra a figura abaixo.

 

Fase das correntes num transformador
Fase das correntes num transformador

 

 

Isso significa que, quando temos a aplicação de uma tensão positiva no terminal A em relação a B, ou seja, nos semiciclos positivos, no secundário do transformador, C está positivo em relação a D. Temos então um semiciclo positivo no secundário . Quando a polaridade se inverte no primário, o mesmo ocorre no secundário.

Existe aplicações em que é interessante também termos uma tensão alternada que não esteja em fase com o primário, ou seja, quando o terminal A do primário está positivo, o terminal correspondente do secundário estará negativo, ou com a FASE INVERTIDA.

Esta inversão de fase pode ser conseguida com um transformador que tenha um enrolamento duplo, ou seja, dotado de uma tomada central, conforme o leitor pode ver clicando mostra a figura abaixo.

 

As fases num transformador com tomada central
As fases num transformador com tomada central

 

 

Veja então que, tomando como referência a tomada central (também, abreviada por CT = center tap), enquanto o terminal “de cima” está na mesma fase do primário, o terminal “de baixo” está com a fase invertida. No caso dos transformadores usados em fontes de alimentação, este fato tem uma utilidade que será melhor entendida mais adiante.

Outra utilidade do transformador numa fonte de alimentação está no fato do primário ser isolado do secundário. Os enrolamentos de um transformador comum não mantém contato elétrico entre si, já que a transferência de energia se faz através de um campo magnético. Isso significa que, usando um transformador numa fonte de alimentação, mesmo que não seja preciso diminuir ou aumentar a tensão, temos um fator de segurança importante. Tocando em qualquer ponto do circuito, como em relação à terra não existe percurso para a corrente, não há perigo de choque (figura a seguir).

 

Um transformador proporciona isolamento
Um transformador proporciona isolamento

 

 

Lembramos que existem fontes que usam os chamados “autotransformadores”, onde parte de um enrolamento é usado tanto no primário como no secundário, caso em que não existe o isolamento e, portanto, este “fator de segurança”. Veja que os autotransformadores podem ser usados tanto para aumentar como diminuir as tensões da rede.

Em alguns aparelhos “econômicos” o transformador, por ser elemento pesado e caro, é eliminado. Nas fontes sem transformadores existem limitações importantes de modo que seu uso não é possível, senão em alguns poucos casos.

Os transformadores usados em fontes são normalmente chamados de “transformadores de alimentação”, “transformadores de força” ou simplesmente “transformadores para fontes”. Os transformadores usados nas fontes são especificados de acordo com a tensão que fornecem em seu secundário, a corrente e, eventualmente, a existência ou não da tomada central.

Depois do transformador, uma fonte de alimentação apresenta uma etapa de retificação que passamos a estudar no próximo item.

 

2.3 – Retificação

Uma corrente contínua se caracteriza pelo sentido único de circulação. Ora, conforme estudamos na lição anterior, há um componente que deixa a corrente circular num único sentido, o que nos sugere que ele poderia ser usado para se obter correntes contínuas: o diodo.

De fato, um diodo semicondutor pode ser usado numa fonte de corrente contínua. Com ele, podemos obter tensões contínuas a partir de tensões alternadas, se bem que ainda não totalmente puras, ligando-o inicialmente conforme o leitor poderá ver na figura seguinte.

 

Usando um diodo como retificador
Usando um diodo como retificador

 

 

Neste circuito, nos semiciclos positivos da tensão alternada no secundário do transformador, o diodo é polarizado no sentido direto, de modo a apresentar baixa resistência e deixar a corrente passar. No entanto, nos semiciclos negativos, o diodo é polarizado no sentido inverso e nenhuma corrente pode passar, conforme mostra a figura seguinte.

 

Conduzindo apenas os semiciclos positivos
Conduzindo apenas os semiciclos positivos

 

 

Veja então que, somente passa corrente nos semiciclos positivos, ou corrente num único sentido. Esta corrente, se bem que circule num sentido único, não é uma corrente contínua pura. Ela é formada por “pulsos” que aparecem somente nos instantes em que o diodo está polarizado no sentido direto. Dizemos que se trata de uma “corrente contínua pulsante”. Se invertermos o diodo, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo, teremos a passagem de corrente somente nos semiciclos negativos e ainda uma corrente pulsante, mas de sentido ou polaridade invertida.

 

Deixando passar os semiciclos negativos
Deixando passar os semiciclos negativos

 

Como apenas metade dos semiciclos da corrente alternada é conduzida neste processo, dizemos que se trata de um processo de retificação de “meia onda”.

Evidentemente, teríamos uma eficiência maior nesta chamada retificação ou “transformação de corrente alternada em contínua”, se pudéssemos aproveitar os dois semiciclos. Isso é possível se utilizarmos um transformador com uma tomada central e dois diodos, ligado conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Usando dois diodos
Usando dois diodos

 

 

Quando o terminal A do transformador está positivo em relação ao CT, nos semiciclos positivos, o terminal B, ao mesmo tempo está negativo em relação ao CT. Desta forma, enquanto nos semiciclos positivos de entrada, o diodo D1 é polarizado no sentido direto, o diodo D2 estará polarizado no sentido inverso. Conduz então o diodo D1, conforme podemos ver na figura seguinte.

 

Condução nos semiciclos positivos
Condução nos semiciclos positivos

 

 

No semiciclo negativo da tensão de entrada, as coisas se invertem. Enquanto A estará negativo em relação a CT, B estará positivo, de modo que D1 estará polarizado inversamente e D2 diretamente. Conduz D2, conforme mostra a próxima figura, e a carga recebe sua alimentação.

 

Condução nos semiciclos negativos
Condução nos semiciclos negativos

 

 

Em outras palavras, neste processo de retificação a onda toda é aproveitada, sendo por isso denominado de “retificação de onda completa”. Veja que o transformador permite que o semiciclo negativo seja “invertido” para também ser aproveitado.

É claro que este processo de retificação apresenta uma eficiência que é o dobro do anterior, tendo por isso muitas vantagens de utilização.

Veja, entretanto, que ainda temos uma corrente contínua pulsante na carga, se bem que ela tenha variações “menores” que no caso anterior.

Uma maneira de se obter uma retificação de onda completa com o uso de um transformador comum, ou seja, com secundário simples, sem tomada central é possível com o uso de 4 diodos, ou seja, de uma ponte de diodos, conforme mostrado na figura abaixo.

 

Usando uma ponte de diodos (Ponte de Graetz)
Usando uma ponte de diodos (Ponte de Graetz)

 

 

Vejamos como funciona este sistema denominado “retificação em ponte”: Nos semiciclos positivos, o terminal A do transformador está positivo em relação ao terminal B. Desta forma os diodos D2 e D3 estão polarizados no sentido direto, conduzindo a corrente poderá ser visto na próxima figura.

 

A condução da ponte nos semiciclos positivos
A condução da ponte nos semiciclos positivos

 

 

Nos semiciclos negativos, ficam polarizados no sentido direto os diodos D1 e D4 que então conduzem a corrente conforme mostra a figura abaixo.

 

Corrente nos semiciclos negativos
Corrente nos semiciclos negativos

 

 

É importante notar que neste sistema, a corrente em cada semiciclo passa por dois diodos, em lugar de um só, como nos outros. Isso significa que temos uma queda de tensão maior no sistema de retificação.

Assim, enquanto no sistema de onda completa “perdemos” apenas 0,6 V no diodo de silício, neste sistema “perdemos” 1,2 V. É claro que as vantagens deste sistema podem ser compensadas simplesmente com a utilização de um transformador que tenha uma tensão de secundário um pouco maior.

Veja o leitor que, em todos estes sistemas não temos uma tensão contínua pura, mas sim formada por pulsos que têm a mesma frequência da rede no caso da retificação de meia onda (60 por segundo no Brasil), ou o dobro no caso dos sistemas de retificação por onda completa (120 por segundo no Brasil).

Para termos uma corrente contínua pura, precisamos de um circuito de filtragem que é o que passamos a estudar em seguida. Veja também que o valor máximo atingido pela tensão em cada semiciclo é o valor de pico da tensão alternada aplicada ao.retificador.

 

2.4 – Filtragem

A filtragem da corrente contínua pulsante pode ser realizada de diversas formas. A mais simples é a obtida com a utilização de um capacitor ligado conforme mostra a figura abaixo.

 

Usando um capacitor de filtro
Usando um capacitor de filtro

 

 

Normalmente, para termos uma boa filtragem, usamos um capacitor eletrolítico de grande valor que vai funcionar como uma espécie de reservatório de energia, conforme segue.

Nos semiciclos em que o diodo conduz, o capacitor se carrega com a tensão máxima da rede, ou seja, a tensão de pico do secundário do transformador. Se ele for especificado para fornecer uma tensão de 12 Volts, este valor corresponde a um valor “rms”. O valor de pico é obtido multiplicando-se 12 por 1,41 (raiz quadrada de dois). Isso significa que o valor de pico da tensão deste semiciclo é de 12 x 1,41 = 16,92 Volts. É com esta tensão que o capacitor se carrega em cada semiciclo conduzido, conforme o leitor poderá ver na próxima figura.

 

A ação do capacitor de filtro
A ação do capacitor de filtro

 

 

Veja que não obtemos necessariamente uma tensão contínua de 12 V, se usarmos numa fonte um transformador com secundário de 12 V,

mas, em princípio, muito mais! Essa tensão será a de pico da rede, quando o capacitor estiver completamente carregado.

Na prática, entretanto, a tensão não atinge o máximo, pois a fonte precisa fornecer uma corrente a um circuito externo. Assim, nos intervalos entre os semiciclos, quando a tensão no diodo “cai”, e ele é mesmo polarizado no sentido inverso, o capacitor se encarrega de fornecer tensão para o circuito alimentado, não a deixando cair, ou deixando muito pouco.

Desta forma, a tensão aplicada ao circuito alimentado e, consequentemente, a corrente, varia muito pouco. Esta variação ou queda no circuito de carga será tanto menor quanto maior for o capacitor usado, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo, pois ele pode fornecer energia por mais tempo a esse circuito externo.

 

Tensão na carga, com a presença do capacitor de filtro
Tensão na carga, com a presença do capacitor de filtro

 

 

Evidentemente, com uma variação muito pequena, já obtemos algo que se aproxima muito de uma corrente contínua pura ou filtrada. A pequena variação que ocorre entre os semiciclos, é importante em muitos circuitos, pois ela pode se traduzir em roncos, tanto no caso de receptores de rádio, amplificadores, como transmissores, e em televisores pode fazer “ondular” uma imagem.

Esta variação é denominada “ripple” (ondulação em inglês) devendo ser a menor possível numa boa fonte. Normalmente ela é especificada em termos de milésimos de volt.

Uma “regrinha” prática para o projetista de uma fonte permite escolher o valor ideal do capacitor de filtro usado. Normalmente, usamos 1 000 µF de capacitância para cada 1 ampère de corrente que precisamos, isso entre 3 V a 15 V de saída. Esse valor é dado para que o ripple se mantenha dentro de níveis aceitáveis para a maioria das aplicações.

Entretanto, existem cálculos mais precisos que permitem determinar o valor mínimo de um capacitor de filtro de uma fonte em função da amplitude do ripple, ou seja, de quantos volts deve ser o ripple aceito na aplicação.

Veja o leitor que a tensão que aparece no circuito externo alimentado ou carga depende da corrente que ele consome. Se esta corrente for muito baixa, e o capacitor for suficientemente grande, há tempo para ele se carregar com a tensão de pico e entre os semiciclos sua descarga é praticamente nula. Temos então a aplicação na carga, ou na saída da fonte, uma tensão igual a do secundário do transformador multiplicada por 1,41. Um transformador de 12 Volts resulta numa saída de ordem de 16 V, conforme mostra a figura seguinte.

 

Filtragem com carga de baixo consumo
Filtragem com carga de baixo consumo

 

 

Se a corrente for elevada, a descarga parcial do capacitor entre os semiciclos faz com que a tensão média caia, e tenhamos na carga um valor menor, conforme o leitor verá ao clicar na figura abaixo.

 

Filtragem com carga de alto consumo
Filtragem com carga de alto consumo

 

 

O fato do capacitor se carregar com a tensão de pico é muito importante na escolha deste componente. A tensão de trabalho de um capacitor de filtro não é a tensão do transformador, nem a de pico, mas um valor maior. Assim, para um transformador de 12 V, levando em conta os 16,9 V de pico, chegamos a um valor seguro de tensão de trabalho para o capacitor de 25 V.

O filtro que estudamos é o mais simples, pois emprega apenas um capacitor. Podemos melhorar a filtragem de uma fonte agregando outros componentes, como indutores e resistores.

Na próxima figura temos alguns filtros mais elaborados que são encontrados em muitas fontes de alimentação.

 

Outros tipos de filtros
Outros tipos de filtros

 

 

2.4.1- Fator de Ripple

O fator de ripple (γ) ou ondulação é definido como a relação entre oi valor RMS da tensão de saída e o valor DC da tensão de saída vezes 100. A fórmula seguinte expressa esta definição e é utilizada para calcular o fator de ripple.

 


 

 

 

Fórmula f2.1

Fator de ripple:

γ = [ ( Vrms / Vdc ) x 100 ]

 

Onde:

γ é o fator de ripple

Vrms é o valor rms da tensão de saída em volts (V)

Vdc é o valor médio da tensão de saída em volts (V)

 

Carga Resistiva

a) Retificador de meia onda = 120%

b) Retificador de onda completa = 48%

 

 

2.5 – Regulagem

Se a tensão de saída de uma fonte, com os componentes que vimos até agora, varia de acordo com a corrente na carga, o que não é conveniente em muitas aplicações, um circuito adicional de regulagem deve ser usado. A finalidade deste circuito é manter a tensão estável, mesmo que a corrente exigida pela carga varie.

Isso é importante em aparelhos eletrônicos sensíveis, desde os mais simples até outros mais complexos, onde a potência aplicada ao alto-falante varia conforme o som reproduzido e, isso se traduz numa variação da tensão da fonte. Se não houver regulagem nestes circuitos, não só podem ocorrer sobrecargas como também distorções.

O modo mais simples de se fazer uma regulagem de tensão tem por base um componente que conhecemos na lição anterior: o diodo zener.

Conforme estudamos, este componente se caracteriza por manter constante a tensão entre seus terminais, mesmo quando a tensão aplicada varia. Assim, para termos uma fonte regulada simples, devemos fazer a ligação do diodo zener conforme o leitor verá na próxima figura.

 

Regulagem simples com diodo zener
Regulagem simples com diodo zener

 

 

O cálculo do resistor é feito segundo a tensão e a corrente do circuito de carga, e a corrente máxima suportada pelo diodo zener.

 

2.5.1 – Calculando um Circuito de Regulagem com Diodo Zener

As fórmulas seguintes são usadas para calcular os componentes de um regulador de tensão com diodo zener, como o mostrado na figura abaixo.

 

Circuito para exemplo de cálculo
Circuito para exemplo de cálculo

 

 

Fórmulas f2.2

Correntes máxima e mínima através de um diodo zener:

 


Iz(max) =

 

Vin(max) – (VL + R x IL )


R

 

 


Iz(min) =

 

Vin(min) – (VL + R x IL )


R

 

 

 

 

Onde :

Iz(max) é a corrente máxima através do zener em ampères (A)

Iz(min) é a corrente mínima através do zener em ampères (A)

Vin(min) é a tensão mínima de entrada em volts (V)

Vin(max) é a tensão máxima de entrada em volts (V)

VL é a tensão de saída ou de carga em volts (V)

IL é a corrente de saída em ampères (A)

R é a resistência ohm (ohms )

 

Fórmulas f2.3

As fórmulas seguintes são usadas para calcular a faixa de valores de R.


R(max) =

 

Vin(min) – VL


Iz(min) + IL

 

 


R(min) =

 

Vin(max) – VL


Iz(max) + IL

 

 

Onde:

R(min) é o valor mínimo de R em ohm (ohms)

R(max) é o valor máximo de R em ohm (ohms)

Vin(max)é a tensão máxima de entrada em volts (V)

Uin(min) é a tensão mínima de entrada em volts (V)

Iz(min) é a corrente mínima no zener em ampères (A)

Iz(max) é a corrente máxima no zener em ampères (A)

VL é a tensão na carga em volts (V)

IL é a corrente de carga em volts (V)

 

Formula f2.4

Corrente máxima no zener:


Iz(max) =

 

P(max)


VZ

 

 

 

Onde:

Iz(max) é a corrente máxima no diodo zener em ampères (A)

P(max) é a dissipação máxima do zener em watts (W)

Vz é a tensão zener em volts (V)

 

 

Fórmulas derivadas:

 

Formula f2.5

Dissipação máxima do zener:

P(max) = Vz x Iz(max)

 

Onde :

P(max) é a potência máxima dissipada pelo zener em watts (W)

Vz é a tensão zener em volts (V)

Iz(max) é a corrente máxima através do zener em ampères (A)

 

 

Exemplo de Aplicação:

Uma carga de 20 mA precisa ser alimentada por uma fonte regulada de 9 V. A faixa de tensões de entrada do regulado varia entre 12 V e 15 V e a corrente através do zener deve ser mantida entre 10 mA e 50 mA. Calcule o valor e a dissipação de R.

 

 

Circuito para o exemplo de cálculo
Circuito para o exemplo de cálculo

 

 

Dados:

IL = 20 mA

VL = 9 V

Vin(max) = 15 V

Vin(min) = 12 V

Iz(max) = 50 mA = 0.05 A

Iz(min) = 10 mA = 0.01 A

 

a) Calculando R(min) e R(max) - fórmula f2.3:


R(min) =

 

15 - 9


0,05 – 0,02

 

 


R(min) =

 

6


0,03

 

 

R(min) = 200 ohms


 


R(max) =

 

12 - 9


0,02 – 0,01

 

 


R(max) =

 

3


0,01

 

 

R(max) = 300 ohms

 

Podemos adotar um resistor de 220 ohms, que é valor comum mais próximo do calculado.

Determinando a potência dissipada pela fórmula f2.5.

 

P(max) = 0.05 x 9

P(max) = 0.45 Watt

 

Um zener de 1 W é o recomendado para esta aplicação, com uma boa margem de segurança.

 

2.5.2 – Outros Componentes Reguladores

Se o diodo zener não puder sozinho regular toda a corrente que a carga exige, podem ser usados componentes adicionais que “ajudam” nesta função. Estes componentes adicionais serão estudados em lições posteriores, mas podemos adiantar que existem alguns muito simples, e que normalmente são ligados na saída de uma fonte, conforme o leitor constatará pela figura abaixo.

 

Usando um circuito integrado (CI) regulador de tensão
Usando um circuito integrado (CI) regulador de tensão

 

 

Estes componentes, que contém diodos zener de valores determinados, mais os componentes que podem controlar correntes elevadas, são os “ circuitos integrados” reguladores de tensão. Uma série muito popular destes reguladores é a 78XX, onde XX é substituído pelo valor da tensão que ele regula.

Assim, o 7806 fornece uma saída regulada de 6 V, o 7812 uma saída de 12 V, havendo mais de 10 tipos na mesma série, todos com capacidade de regular correntes de até 1 ampère.

O único requisito para usar estes integrados é que a tensão aplicada na sua entrada seja pelo menos uns 3 V maior do que a que se deseja na saída.

 

2.5.3 – Fontes sem transformador

Numa fonte convencional analógica, conforme estudamos, o que temos é um transformador que abaixa a tensão da rede de energia e, ao mesmo tempo, funciona como elemento de isolamento, conforme mostra a figura abaixo.

 

Diagrama de blocos de uma fonte de alimentação linear comum com transformador.
Diagrama de blocos de uma fonte de alimentação linear comum com transformador.

 

 

Depois desse transformador temos as etapas de retificação e filtragem, eventualmente seguidas por um circuito regulador de tensão. O problema básico dessa arquitetura está no transformador que é um componente pesado e caro. Tanto maior e mais pesado será o transformador quanto maior for a potência exigida pelo circuito alimentado, ou seja, o produto da tensão pela corrente.

Estes transformadores são formados por pesados núcleos laminados de ferro em torno do qual são enroladas as bobinas que formam o primário e o secundário, eventualmente até mais enrolamentos.

Uma ideia inicial, para se eliminar o transformador, consiste em se fazer um divisor resistivo, de modo que a tensão da rede fique reduzida e depois disso, possa ser retificada e filtrada, conforme mostra a figura seguinte.

 

 

Obtendo 6 V com um divisor resistivo.
Obtendo 6 V com um divisor resistivo.

 

 

No entanto, essa configuração tem vários problemas sérios. O primeiro deles, é que o resistor R1, normalmente por ser bem maior que R2, dependendo da corrente exigida pela carga, deve ter uma dissipação bastante alta. Mesmo para uma fonte de poucas dezenas de miliampères, alimentada numa rede de 110/220 V, esse resistor deve ter vários watts de dissipação. Além do tamanho que ele representa, temos o problema adicional do aquecimento e do desperdício de energia, inadmissível em nossos dias.

O outro problema é mais grave. A tensão no divisor não depende apenas da relação de valor entre os resistores que o formam, mas também do consumo da carga. Assim, quando a carga é ligada, ela representa a conexão de um resistor adicional em paralelo que consome energia e que, portanto faz com que a tensão caia, conforme mostra a próxima figura.

 

Figura 61 – A tensão cai quando a corrente de carga aumenta.
Figura 61 – A tensão cai quando a corrente de carga aumenta.

 

Uma fonte desse tipo deve então ser projetada para ter uma tensão bem mais alta e com a carga alimentada, cair para o valor desejado.

Um diodo zener ou um circuito regulador é portanto fundamental para esse tipo de configuração.

Uma alternativa interessante, para o lugar de R1, consiste em se aproveitar a reatância capacitiva de um capacitor. Um capacitor apresenta uma impedância (medida em ohms) que depende de seu valor, e da frequência do sinal que está sendo aplicado a ele. Podemos dizer, de uma forma mais simples, que um capacitor se comporta como um “ resistor para corrente alternada” , conforme mostra a figura abaixo.

 

Um capacitor de 470 nF comporta-se como um resistor de 5k5 ohms num circuito de corrente alternada de 60 Hz.
Um capacitor de 470 nF comporta-se como um resistor de 5k5 ohms num circuito de corrente alternada de 60 Hz.

 

 

Essa impedância pode ser facilmente calculada pela fórmula;

 

Zc = 2 x π x f x C

 

Onde:

Zc é a reatância apresentada pelo capacitor em ohms

π = constante = 3,14

f é a freqüência da corrente em hertz (Hz)

C é a capacitância do capacitor em farads (F)

 

Veja então que podemos ligar um capacitor em série com um resistor, de modo a obter um divisor de tensão que funcionará normalmente com tensões alternadas. Qual é a vantagem dessa configuração?

A primeira está no fato de que o capacitor não dissipa potência na forma de calor, quando opera nesse divisor. Ele opera pela carga e descarga, não tendo, portanto, elementos resistivos para gerar calor.

Em outras palavras, não existe perda de energia nesse componente, o que faz com que além de não haver desperdício ele não trabalha quente. Na prática, existe uma pequena perda, isso porque nenhum capacitor é perfeito, mas ela é muito pequena. As desvantagens existem, é claro. Uma delas está no fato de que o capacitor deve ser tanto maior quanto maior for a corrente desejada para alimentar a carga.

A corrente depende da reatância numa razão inversa. Maior a corrente, menor a reatância e menor a reatância implica em maior capacitância. A outra desvantagem está no fato de que os capacitores para essa aplicação precisam ter tensões de isolamento elevadas e isso significa capacitores de construção especial, os quais são tanto mais caros quanto maior for sua capacitância. Esses fatores limitam o uso dessa arquitetura à pequenas fontes, que não devam fornecer mais do que uns 100 mA sob tensões na faixa de poucos volts até perto de 30 ou 40 V.

 

2.6 - Circuitos com diodos

Podemos citar muitas outras aplicações para os diodos além da retificação. Os diodos de pequena capacidade de corrente, por exemplo, chamados de diodos de sinal podem ser usados como “detectores de envolvente” em circuitos de rádio.

Para mostrar como isso pode ser feito, damos como exemplo um circuito muito simples de um rádio de AM, conforme mostra a figura abaixo.

 

Um diodo usado como detector de sinais
Um diodo usado como detector de sinais

 

 

A antena capta os sinais emitidos pela estação, havendo então a indução de uma corrente de alta frequência, que deve circular em direção à terra passando pela bobina e capacitor que formam o circuito de sintonia:

Este circuito se caracteriza por impedir a passagem dos sinais de uma única frequência, ou seja, da estação sintonizada, que são desviados para o diodo. O diodo funciona como retificador de alta frequência, deixando passar apenas os semiciclos positivos do sinal, ou seja, fazendo sua detecção.

Este sinal que é composto de duas partes, uma de alta frequência que é a “portadora”, e outra baixa, que é a “modulação”, pode ser levado a um processo de separação. O capacitor depois do diodo filtra o sinal, desviando para a terra a componente de alta frequência e deixando apenas a envolvente, ou seja, a modulação. Esta modulação corresponde justamente ao som que é captado nos microfones da emissora, ou obtido de um toca-discos ou toca-fitas.

Aplicando este sinal de baixa frequência a um fone de ouvido, ou então a um amplificador, podemos ouvir os sons originais. Os primeiros receptores tinham uma estrutura bastante semelhante a esta, não usando mais do que um diodo, que naquele tempo era um cristal de galena (um sal de chumbo), não precisando de fonte de alimentação para funcionar.

Estes receptores, por este motivo, precisam captar o máximo de energia do próprio sinal, o que exige o uso de longas antenas. O fone, por outro lado, tinha de ser muito sensível e mesmo assim a escuta era difícil.

Nos receptores de rádio modernos, entre os circuitos que amplificam os sinais de altas frequências e os sinais de baixas frequências, há normalmente um diodo que faz a detecção, ou seja, corresponde a um ponto de transição do aparelho.

Até antes do diodo encontramos sinais de altas frequências, e depois do diodo passamos a ter sinais de baixas frequências ou áudio, conforme o exemplo de circuito de rádio que pode ser visto na figura abaixo.

 

Um diodo detector num receptor de rádio AM comum
Um diodo detector num receptor de rádio AM comum

 

 

Outra função importante do diodo é nos circuitos de proteção. Quando uma carga indutiva como, por exemplo, a bobina de um relé ou ainda um pequeno motor é acionada, conforme estudamos,um forte campo magnético é criado. Ao ser desligada, com a contração do campo magnético, é induzida na carga uma tensão oposta. A próxima figura mostra o que ocorre.

 

Quando uma carga indutiva é desligada, uma tensão é induzida
Quando uma carga indutiva é desligada, uma tensão é induzida

 

 

Dependendo do tipo de carga, ou seja, de sua indutância, a tensão induzida quando no desligamento pode ser muitas vezes maior do que a aplicada quando o ligamos. O componente que fez acionamento pode então ser danificado com a presença desta tensão. Com a ligação de um diodo, conforme o leitor verá na figura abaixo, temos uma proteção contra um possível dano para o componente.

 

Usando um diodo como protetor na comutação de cargas indutivas
Usando um diodo como protetor na comutação de cargas indutivas

 

 

O diodo é polarizado inversamente quando a carga é acionada, de modo que ele não conduz a corrente e, com isso, não influi no processo. No entanto, ele fica polarizado no sentido direto com a tensão que é induzida quando a carga indutiva é desligada, conduzindo então a corrente, evitando que ocorram danos ao componente de acionamento. O diodo absorve a energia que poderia causar danos ao circuito.

Existem muitos outros circuitos em que os diodos podem ser usados como, por exemplo, o que pode ser visto na figura abaixo em que o componente é usado para evitar uma inversão acidental da bateria, que poderia causar a queima dos componentes. Se isso ocorrer, o diodo simplesmente não conduz e o circuito não recebe a alimentação.

 

Diodo como proteção contra inversão de polaridade
Diodo como proteção contra inversão de polaridade

 

 

2.7 – Multiplicadores de tensão

Diodos e capacitores podem ser interligados em configurações capazes de fornecer em sua saída tensões que sejam o dobro, o triplo, o quádruplo e mesmo, muito mais vezes, a tensão de pico da entrada alternada.

Estas configurações, denominadas “multiplicadores de tensão”, são muito úteis, podendo ser encontradas principalmente nos monitores de vídeo do tipo antigo com cinescópios de alta tensão e em televisores, além de muitos outros aparelhos eletrônicos. Vejamos como funcionam e quais são.

 

2.7.1 – Dobradores de tensão

Podemos obter uma tensão de saída contínua que tenha um valor que seja o dobro da tensão de pico aplicada na entrada, utilizando três configurações básicas, mostradas na primeira figura da sequência da figura abaixo.

 

Configurações de dobradores de tensão
Configurações de dobradores de tensão

 

 

Os funcionamentos das três configurações são semelhantes de modo que, estudando uma, será muito fácil entender as demais.

Nos semiciclos positivos carrega-se o capacitor C1, enquanto que nos negativos carrega-se o capacitor C2. Como esses capacitores estão em série com a carga, a descarga dos dois, que ocorre para um capacitor num semiciclo, e para outro, no outro semiciclo em que não se carregam, é em série o que quer dizer que suas tensões se somam.

A carga fica então com aproximadamente igual ao dobro da tensão de pico ou a tensão com que os capacitores se carregam.

 

2.7.2 – Triplicadores de tensão

As duas configurações, apresentadas na próxima figura, fornecem uma tensão de saída que é aproximadamente o triplo do valor de pico da tensão alternada aplicada á entrada.

 

Triplicadores de tensão
Triplicadores de tensão

 

 

O funcionamento é semelhante a do dobrador, com a diferença de que os três capacitores são carregados e, como estão ligados em série, teremos o triplo da tensão na carga.

 

 

2.7.3 – Quadruplicadores de tensão

Na figura abaixo temos dois circuitos de quadruplicadores de tensão.

 

Triplicadores de tensão
Triplicadores de tensão

 

 

Os quatro capacitores estão ligados em série com a carga, descarregando-se de modo que suas tensões se somam. A carga e descarga dos capacitores ocorrem de modo alternado.

 

2.7.4 – Multiplicador de tensão por n

Podemos multiplicar por qualquer valor inteiro a tensão de entrada num circuito do tipo mostrado na figura abaixo.

 

Multiplicador de tensão por n
Multiplicador de tensão por n

 

 

Se o circuito tiver 12 seções teremos uma tensão de saída 12 vezes maior que o valor de pico de entrada. É preciso observar que em todos os circuitos, quando ganhamos em tensão, perdemos em corrente, já que energia não pode ser criada nem destruída.

 

Índice

Introdução

Parte 1  

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Parte 3

Parte 4

Parte 5

Parte 6

Parte 7

Parte 8

Parte 9

Parte 10

Parte 11

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