12.1 – Reguladores fixos
Os reguladores fixos são circuitos integrados que incorporam reguladores de tensão lineares (analógicos) com uma saída de tensão fixa e uma corrente máxima determinada pelo seu tipo.
Existem reguladores que podem trabalhar com tensões de saída de 3 a 48 V e correntes na faixa de 200 mA a 5 A, disponíveis nas mais diversas configurações, facilitando o projeto de fontes de alimentação.
Estes reguladores, conforme mostra o esquema elétrico a seguir, são colocados depois da etapa de filtragem de uma fonte, tendo por finalidade manter a tensão de saída constante, ou ainda a corrente e, em alguns casos, também fazer a proteção contra curto-circuitos e aquecimentos indevidos.
Nesta série existem reguladores que exigem transistores adicionais externos e também circuitos integrados completos que já possuem os componentes de potência interno.
Destacamos em primeiro lugar os circuitos integrados reguladores de tensão de 3 terminais, que possuem uma pinagem conforme mostra a figura abaixo.
Estes reguladores podem ser do tipo positivo, que são inseridos em série com a linha positiva de uma fonte de alimentação, ou negativos.
Nestes reguladores normalmente temos um pino de entrada (in), um pino de saída (out) e um pino central que, ou pode ser ligado à terra, ou ainda a algum circuito de controle ou que permita alterar a tensão de saída.
Uma das séries mais comuns de circuitos reguladores deste tipo é a 78xx que tem uma boa faixa de tensões,e na versão básica pode fornecer correntes até 1 A a uma carga.
Reguladores de tensão 78xx
Os tipos da série 78xx podem fornecer tensões de 5 a 24 volts tipicamente com corrente de 1 ampère, sendo extremamente atraentes para projetos.
A série de circuitos integrados 78XX, onde o XX é substituído por um número que indica a tensão de saída, consiste em reguladores de tensão positiva com corrente de até 1 ampère de saída sendo apresentados em invólucro TO-220 conforme encontramos as pinagens abaixo.
Encontramos uma série equivalente de 200 mA que é apresentada em invólucros SOT-54 (Plástico de pequenas dimensões).
Diversos são os fabricantes que possuem os circuitos integrados desta série em sua linha de produtos, e as tensões de saída podem variar sensivelmente de um para outro. No entanto, os valores básicos para estas tensões, que são dados pelos dois últimos algarismos do tipo do componente, são:
7805 = 5 volts
7806 = 6 volts
7808 = 8 volts
7885 = 8,5 volts
7812 = 12 volts
7815 = 15 volts
7818 = 18 volts
7824 = 24 volts
A tensão máxima de entrada para os tipos de 5 a 18 volts é de 35 volts. Para o tipo de 24 volts, a tensão de entrada máxima é de 40 volts.
De qualquer modo, para um bom funcionamento a tensão de entrada deve ser no mínimo 2 volts mais alta que a tensão que se deseja na saída.
Os circuitos integrados da série 78xx possuem proteção interna contra curto-circuitos na saída e não necessitam de qualquer componente externo.
Damos a seguir as principais características do 7805 que serve de base para avaliação dos demais tipos da série:
7805 – Características
Observe que o radiador de calor deve ser dimensionado em função da diferença que existe entre a tensão de entrada e a tensão de saída, já que, quanto maior, mais calor o componente deve dissipar.Na representação abaixo temos a aplicação imediata num regulador positivo de 1 ampère para tensões de 5 a 24 volts com corrente de saída de até 1 ampère.
O capacitor de 330 nF desacopla a entrada do estabilizador enquanto que o de 100 nF, que deve ser cerâmico de boa qualidade, tem por finalidade evitar oscilações em altas frequências e também desacopla a saída.Os capacitores de entrada e saída podem variar de acordo com a aplicação e o tipo específico, sendo recomenda o consultar o manual do fabricante, em caso de dúvidas.O segundo circuito corresponde a um estabilizador ou regulador de corrente (fonte de corrente constante), podendo servir de base para um excelente carregador de pilhas de baterias e até mesmo baterias de moto e carro em regime de carga lenta. Este circuito é mostrado na figura abaixo.
A intensidade da corrente é dada pelo quociente Vs/R1, onde R1 é a resistência limitadora e Vs é a tensão do integrado. Lembramos que os valores devem ser calculados tendo por limite 1 ampère, que é justamente a corrente máxima de saída do circuito integrado.Para se obter corrente maior do que 1 ampère, podemos usar um booster, conforme o mostrado na próxima figura. O transistor pode ser substituído por equivalentes, com correntes de coletor na faixa de 5 a 10 ampères para se obter uma fonte de 2 a 5 ampères de corrente de saída.
As fórmulas que permitem dimensionar os diversos elementos do circuito são dadas junto ao diagrama. 12.2 – Reguladores ajustáveisQuando se fala em fonte de alimentação linear, existem componentes tradicionais que, mesmo sendo de gerações antigas, ainda são usados com bastante freqüência. Tanto que, visitando vários sites de fabricantes desses componentes, vemos que eles constantemente estão revisando as suas aplicações, sugerindo novas configurações e até lançando novas versões que ainda podem ser usadas em muitas aplicações.Um desses componentes é o bem conhecido LM350, ainda insubstituível quando pensamos numa fonte linear de média corrente para a bancada ou para aplicações menos críticas. É justamente deles que trataremos nesse artigo.Estes reguladores, que também podem ser obtidos na versão de 3 terminais, possuem um terminal de entrada(in), um terminal de saída (out) e um terminal de ajuste (adj.) onde é ligado o circuito de controle que variará sua tensão ou corrente de saída. O LM350 O circuito integrado LM350, que na versão com sufixo T, é apresentado em invólucro TO-220 com a pinagem mostrada na figura a seguir, consiste num regulador linear positivo de 3 A para tensões de saída de 1,2 V a 33 V.
Uma informação muito interessante que muitos leitores gostariam de saber sobre esse componente é aquela que indica o lote, ano de fabricação e outras informações, conforme mostra a figura abaixo.
Nesse código o A indica a localização da fábrica, WL o lote de waffers, Y o ano de fabricação, WW a semana, e G que o dispositivo é livre de chumbo.A regulação de carga desse circuito é de 0,1% (tip.) e a regulação de linha de 0,005% (tip.). O circuito possui ainda proteção térmica contra sobrecarga.
Nas aplicações comuns o LM350 pode ser usado tanto como regulador ajustável de tensão como fonte de corrente constante. Na aplicação como regulador ajustável, um potenciômetro de 10k determina a tensão somada à referência interna de 1,2 V, conforme mostra o circuito típico de aplicação da próxima figura.
Para uma fonte fixa R2 pode ser calculado pela fórmula:
Vout = 1,25 V ( 1 +
R2
R1
)
Na figura abaixo temos a configuração tradicional de fonte de corrente constante, com as fórmulas que possibilitam o cálculo dos valores dos componentes usados.
Na maioria dos casos, o termo Iadj pode ser desprezado, o que simplifica o uso da fórmula FabricantesPara que os leitores tenham uma ideia de quantos fabricantes possuem estes componentes na sua linha de produtos, digitamos no “localizar datasheet” do site do autor LM317,obtendo os resultados da tabela abaixo. https://br.mouser.com/Search/Refine.aspx?Keyword=LM317
Low Dropout ou LDO
Os LDOs ou Low Dropout são reguladores lineares de tensão que, pelas suas características, estão se tornando indispensáveis numa infinidade de aplicações, principalmente envolvendo a alimentação de equipamentos alimentados por baterias.Quando os problemas de disponibilidade de energia, espaço e calor gerado não precisam ser levados em conta, o uso de circuitos reguladores de tensão lineares não oferece qualquer problema.
Os tipos comuns como os tradicionais que fazem uso de transistores bipolares em invólucros de três terminais como os das serie 78 e 79 podem ser usados sem problemas.No entanto, nos equipamentos modernos, principalmente os alimentados por baterias, onde a energia deve ser gerenciada da melhor maneira possível, tanto para atender a durabilidade da fonte, como também para se evitar desperdício na forma de calor, os reguladores lineares comuns não são a melhor solução.Esses reguladores, intercalados aos circuitos em que devem funcionar, conforme mostra a próxima imagem, causam uma queda de tensão de pelo menos 2 V nos circuitos, e essa queda, além de desperdício de energia significa também a geração de calor. O calor gerado é dado pelo produto da queda de tensão pela corrente circulante.
E, se levarmos em conta que as aplicações modernas usam baterias de tensões muito baixas como 2,7 V e 3,3 V, uma queda de tensão de 2 V num dispositivo regulador não seria admissível.Assim, para atender uma nova gama de aplicações em que energia não pode ser desperdiçada, e também calor não deve ser gerado em grandes quantidades, uma geração diferente de reguladores de tensão lineares se tornou disponível, os LDOs ou low dropout – saída com baixa queda de tensão.
Esses dispositivos apresentam quedas de tensão muito baixas quando em condução, com valores na faixa de 0,1 v a 0,5 V apenas.Para entender como funcionam os LDOs, vamos partir da configuração de um regulador linear de tensão típico. Conforme podemos ver na ilustração abaixo este tipo de regulador é intercalado com o circuito de carga.
Internamente, eles possuem um circuito de referência, eventualmente circuitos de proteção contra sobrecarga, aquecimento e outros recursos que dependem de sua aplicação.
Para controlar a corrente sobre a carga de modo a manter constante a tensão, esses dispositivos podem empregar diversas configurações. São justamente essas configurações que causam a queda de tensão responsável por perdas e pela geração de calor.
A configuração mais simples é a que faz uso de um transistor NPN bipolar, conforme mostra a figura abaixo.
A polarização do transistor numa região intermediária entre o corte e a saturação faz com que apareça entre o coletor e o emissor uma tensão. O produto dessa tensão pela corrente conduzida nos dá a quantidade de calor que o dispositivo vai dissipar.Além disso, pelas suas características, os transistores bipolares fazem com que apareçam tensões razoáveis entre o coletor e o emissor mesmo quando se encontram saturados ou próximos da saturação. Tudo isso se traduz num baixo rendimento da configuração, com a geração de calor e perdas pela queda de tensão no dispositivo de passagem que é o transistor.Para se conseguir que os dispositivos usados no controle da corrente sobre a carga apresentem uma baixa queda de tensão, existem diversas possibilidades que são dadas por configurações, tanto usando transistores comuns como transistores de efeito de campo de potência, conforme mostra a figura abaixo.
As configurações apresentadas têm, entretanto, limitações que devem ser consideradas em cada projeto. Analisemos as características dessas configurações como:Vmin – trata-se da tensão mínima de entrada com que pode operar a configuração.
IL – é a corrente típica de carga
Zout – trata-se da impedância de saída
BW – Faixa passante
Transistor NPN
Nesse caso o transistor opera como seguidor de emissor com uma baixa impedância de saída e uma faixa passante (BW) larga.Vmin = 1 VIL = < 1 A
Darlington NPN Com um par Darlington operando como seguidor de emissor temos uma baixa impedância de saída e uma faixa passante larga. No entanto:Vmin = 2 VIL > 1 A
Transistor PNP Essa é uma configuração interessante para LDOs, pois usando o transistor como inversor temos uma alta impedância de saída, uma faixa estreita mas uma tensão de entrada muito baixa.Vmin = 0,1 VIL < 1 A
Par PNP/NPN Nessa configuração temos transistores complementares funcionando como inversores, obtendo-se uma alta impedância de saída e uma faixa passante estreita. Além disso:Vmin = 1,5 VIL > 1 A
PMOS Usando um transistor de efeito de capo PMOS a tensão mínima de entrada será dada pelo produto:Rds(on) x IL
A impedância de saída é alta e a faixa passante estreita. Além disso a corrente máxima de carga pode ser maior que 1 A.
Em função das características das configurações típicas que podem ser usadas nos dispositivos desse tipo, diversas arquiteturas para a elaboração de LDOs são adotadas pelos fabricantes. Com elas, consegue-se uma queda de tensão muito baixa no regulador, e com isso menor dissipação de calor e maior rendimento.
12.4 – Amplificadores de áudio integrados
Da mesma forma que os amplificadores operacionais, reguladores de tensão e osciladores, também podemos obter na forma de circuito integrados, amplificadores de áudio.Estes amplificadores podem ser encontrados em versões que vão de frações de watts, como os usados em equipamento de som portátil, celulares, radinhos, etc., até versões potentes para som doméstico, som de carro, som ambiente com dezenas ou mesmo centenas de watts.
Os invólucros dependem da potência, pois num amplificador de áudio analógico, como o que vamos mostrar, o rendimento é baixo, e uma boa quantidade de calor é produzida, devendo ser transferida ao meio ambiente.Assim, os tipos de maior potência são dotados de recursos para montagem em radiadores de calor, conforme mostra a foto abaixo.
Lembramos que existe uma tecnologia digital para os amplificadores de áudio que leva um rendimento maior e que está sendo adotada amplamente nos equipamentos modernos. Estes amplificadores, classe D, chegam a ter rendimentos próximos de 90%, enquanto que nos tipos tradicionais analógicos ou rendimento está em torno de 60%.Em outras palavras, um amplificador tradicional, que consome 10 W, produz 6 W de som e 4 W são perdidos na forma de calor. O mesmo amplificador classe D, fornece 9 W de som e perde apenas 1 W na forma de calor.Damos a seguir as características de alguns amplificadores de áudio integrados bastante populares.
Amplificador LM386
Um dos circuitos integrados mais versáteis quando se deseja potências de áudio inferiores a 1 W, e que pode ser alimentado por pilhas, é o LM386.Na verdade, o LM386 não é um dos circuitos integrados mais modernos que pode ser usado em projetos. No entanto, pela facilidade com que podemos obtê-lo, e pelo seu baixo custo, ele é ainda o preferido quando se deseja potências baixas em projetos de áudio.
O circuito integrado LM386 consiste num amplificador de áudio completo de baixa potência que pode ser alimentado com tensões de 4 a 12 V, e que fornece potências na faixa de 250 a 700 mW, com cargas de 4 a 16 ohms.Na figura abaixo temos a pinagem básica desse circuito integrado que pode ser obtido com vários sufixos (que mudam suas características).
Assim, o circuito que damos na figura abaixo é para o LM386-N4 (apenas) que é a versão mais comum desse componente. Nessa figura temos o circuito amplificador básico com ganho é 20, já que não existe controle de realimentação externo.
Para obter um ganho maior basta usar um capacitor adicional externo, o que nos leva ao circuito só esquema elétrico a seguir. Esse circuito tem um ganho de tensão de 200 vezes.
O controle de volume consiste num potenciômetro de 10 k ohms para as duas versões. A resistência de entrada do amplificador é de 50 k ohms, e a distorção harmônica total é de 0,2%.
Amplificador de Prova com o TDA7052
O TDA7052 é um amplificador integrado completo, de aproximadamente 1 W, que exige apenas um capacitor e um controle de volume externo. Na figura abaixo temos o modo de se usá-lo como um amplificador de prova para a bancada. A alimentação pode ser feita com apenas 4 pilhas pequenas.
Este circuito integrado consiste em dois amplificadores de áudio para aplicações de baixa potência, alimentadas por pilhas. Os amplificadores podem ser usados separadamente, para versão estéreo, ou em ponte. Nas figuras a seguir temos a sua pinagem e dois circuitos de aplicação, que foram obtidos no artigo ART388 do site do autor www.newtoncbraga.com.br. Mais informações sobre este componente podem ser obtidas baixando-se o datasheet.
TDA2002 de 8 Wrms
Projetos de intercomunicadores, receptores de diversos tipos, sirenes, sistemas de aviso, caixas amplificadas para instrumentos musicais e computadores exigem amplificadores de áudio de boa potência. Uma solução interessante é a que se baseia em circuitos integrados específicos que exigem poucos componentes externos, possuem excelente rendimento e características de potência e distorção de qualidade.
O TDA2002, também especificado como uPC2002 é um desses circuitos integrados. O TDA2002 pode fornecer potências que chegam aos 8 Wrms ou 30 Wpmpo com pouquíssimos componentes externos e tem uma sensibilidade de apenas 50 mV para plena potência. Muitos equipamentos comerciais usam este módulo tanto pela sua facilidade de obtenção como pelo seu baixo custo.O circuito integrado TDA2002 é um amplificador de potência, basicamente projeto para aplicações em toca-fitas e auto-rádios. A figura abaixo mostra a pinagem deste circuito integrado.
Suas principais características são:
Tensão de Alimentação (Vs)................8 a 18 V
Corrente Quiescente (Is) .....................45 a 80 mA
Potência de saída (Po):d = 1-%, RL = 2 ohms .................4,8 W (min)
Vs = 16 V , RL = 2 ohms .............10 W (tip)
Sensibilidade:
Po = 0,5 W , RL = 4 ohms ..........15 m
VPo = 6 W , RL = 2 ohms ............. 50 mV
Resposta de Frequência............. 40 a 15 000 Hz
Ganho de tensão (Gv)..................80 dB (open loop)
Este componente tem no seu interior todos os componentes básicos necessários à elaboração de um amplificador completo. Apenas os capacitores de maior valor são externos, e a rede de resistores formada por R1 e R2 que determina o seu ganho. A relação entre os valores desses componentes determina o ganho de tensão do circuito que no nosso caso foi fixado para 100 vezes.A rede formada por C6 e R3 é um “bootstrap”, ou seja, uma rede que compensa as características indutivas do alto-falante de modo a manter constante a impedância de saída, e com isso as características do amplificador.A corrente exigida pelo circuito à plena potência com alimentação máxima chega aos 3,5 A, o que significa que, neste caso, uma boa fonte deve ser utilizada na sua alimentação. A filtragem dessa fonte também é muito importante.
Na entrada de alimentação temos dois capacitores que devem ser montados os mais próximos quanto seja possível do pino de alimentação do circuito integrado.O capacitor de maior valor serve como filtro para as variações de corrente quando o amplificador opera com sinais de áudio.
O capacitor de menor valor serve para desacoplar as componentes de alta frequência do circuito evitando instabilidade, já que o capacitor eletrolítico, por suas características indutivas não consegue fazer isso.A impedância da carga influi na potência, no entanto, ela não pode ser menor do que 2 ohms. Com impedâncias maiores do alto-falante, o circuito opera perfeitamente, mas sua potência será um pouco menor. O circuito incluí o potenciômetro de controle de volume mas, dependendo da aplicação, este controle pode fazer parte dos blocos anteriores do projeto como um pré-amplificador com controle de tom, etc.Na próxima figura temos um circuito de aplicação deste componente.
LM4765
Este componente apresenta uma THD+N menor do que 01%. e cada um dos amplificadores do mesmo circuito integrado pode ser controlado de forma independente através de lógica externa.O dispositivo possui a proteção patenteada da National SpiKE contendo diversos recursos de proteção integrados dotando-o de uma capacidade de funcionamento seguro mesmo sob condições adversas que, em outros casos causaria a queima do componente. Essas proteções incluem sobretensão, subtensão, sobrecarga da saída, deriva térmica e picos instantâneos de temperatura.
National Semiconductor x Texas Instruments
Desde 2011, a National Semiconductor passou a ser uma empresa do grupo Texas Instruments. Assim, mais informações sobre este componente como, por exemplo, o datasheet podem ser acessados no site da Texas Instruments (www.ti.com). Dentre as informações importantes do datasheet, destacamos diversas versões com desenhos de placas. O circuito integrado é fornecido em invólucro TO-220 de 15 pinos com a pinagem mostrada abaixo.
Outras características importantes deste amplificador são:
Quantidade pequena de componentes externos
Faixa de tensões de alimentação: 20 a 66 V
Possui modo standbyPotência de saída de 2 x 30 W em 8 ohms
THD+N com 1 kHz a 30 W em 8 ohms – 0,009% (tiP)
THD+N com 2 x 25 W em 8 ohms com 1 kHz – 0,1% (max)
Invólucro TO-220 não isolado
A seguir temos o diagrama típico de aplicação para uso com fonte simétrica.
Logo abaixo temos a foto de uma montagem comercial deste amplificador, obtida na Internet. Algumas empresas do exterior vendem o kit deste amplificador em diversas versões.
A numeração entre parênteses é do segundo canal de áudio constante do mesmo circuito integrado
12.5 – Amplificadores em ponte (BTL)
Um recurso bastante usado para se multiplicar a potência de amplificadores é a sua ligação em ponte ou BTL (Bridge Tied Load). Nos automóveis, a maioria dos sistemas de som emprega o sistema denominado “Trimode”, em que dois amplificadores podem ser comutados para operar na versão mono ou estéreo.A ligação em ponte não apresenta maiores mistérios. Conforme mostra a figura abaixo dois amplificadores são ligados a uma mesma carga de modo que cada um amplifique os sinais, mas com fases opostas.
Dessa forma, a tensão instantânea aplicada à carga dobra e como a potência é proporcional ao quadrado da tensão, a potência quadruplica.Assim, dois amplificadores de 10 W rms ligados em ponte não fornecem apenas 20 W a uma carga, mas sim 40 W.Trata-se de uma técnica excelente quando a potência máxima de um sistema é limitada pela tensão de alimentação, e pela impedância mínima que pode ter uma carga, o que ocorre nos sistemas de som automotivo.Desta forma, a técnica de se conectar amplificadores em ponte é bastante usada nos sistemas de som automotivo, que apresentam a configuração básica mostrada na próxima figura.
Na operação normal estéreo, cada amplificador é ligado às fontes separadas de sinais, excitando os alto-falantes de cada canal.Na operação mono, entra em ação um amplificador operacional que atua como inversor, invertendo assim a fase do sinal a ser amplificado por um dos amplificadores.Os alto-falantes (ou alto-falante) são ligados então, ao mesmo tempo, nas saídas dos dois amplificadores, recebendo potência dobrada.Para entendermos como é possível dobrar a potência do sistema, vamos supor que cada amplificador seja capaz de aplicar um sinal de 10 V numa carga de 4 ohms.Com isto, a potência de cada canal será:
P =
V2
R
P =
(10 x 10)
4
P =
100
4
P = 25 W por canal ou 50 W no total
Se ligarmos o mesmo amplificador em ponte a uma carga de 4 ohms, a tensão no alto-falante oscilará entre o valor máximo positivo e o máximo negativo, conforme podemos ver abaixo.
Assim, a tensão aplicada ao alto-falante será de 20 V. Para uma carga de 4 ohms, a potência obtida será:
P =
V2
R
P =
(20 x 20)
4
P =
400
4
P = 100 W ou 220 W no total , se forem usados dois amplificadores num sistema estéreo.
| min. | tip. | max. | ||
| Tensão de saída | 4,8 | 5,0 | 5,2 | volts |
| Regulagem de linha | - | 3 | 50 | mV |
| Regulagem de carga | - | 15 | 50 | mV |
| Corrente quiescente | - | 4,2 | 6,0 | mA |
| Rejeição de ripple | 60 | 70 | - | dB |
| Resistência de saída | - | 17 | - | mOhms |
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