As fontes de alimentação consistem em um bloco de projeto básico para uma infinidade de aplicativos. Mesmo nos equipamentos alimentados por baterias pode ser necessário aumentar (ou diminuir) a tensão através de blocos apropriados. O tipo mais comum de fonte é a linear que, a partir da tensão da rede de energia, fornece tensões contínuas que podem ir de poucos volts até milhares de volts. Encontrar uma configuração que se adapte à aplicação que estamos desenvolvendo nem sempre é simples. Assim sendo, como nosso principal objetivo é facilitar o trabalho de todos os que desenvolvem circuitos, trazemos neste artigo uma coletânea de 10 circuitos de fontes de alimentação lineares.
Diferentemente das fontes chaveadas, as fontes lineares ou analógicas usam transistores ou outros componentes, tais como reostatos para dosar a tensão aplicada a uma carga em função da corrente que ela exige. Elas também podem ser configuradas como fontes de corrente constante, caso em que a corrente se mantém, mesmo quando a resistência da carga varia.
Os dois tipos de fontes lineares citados são de grande importância para uma infinidade de projetos, sendo até hoje utilizados amplamente, apesar do aumento da presença das fontes chaveadas ou digitais em muitas aplicações, em razão das vantagens que apresentam.
Assim, existem configurações tradicionais de fontes analógicas que ainda hoje são muito úteis e por isso utilizadas quando precisamos de uma tensão ou corrente regulada para alimentar um projeto onde exigências como rendi- mento elevado, baixa queda de tensão no elemento regulador, etc. não sejam muito importantes.
Para os desenvolvedores que precisam deste tipo de fonte, damos, a seguir, 10 circuitos práticos tradicionais de grande utilidade.
Os circuitos integrados LM317 (1,5 A) e LM350 (3 A) são reguladores de tensão de 3 terminais, ajustáveis, que podem fornecer tensões de saída de 1,25 a 37 V. OLM317 tem uma versão com sufixo HV que pode fornecer tensões até 57 V.
Empregando esses componentes, é possível elaborar fontes de alimentação ajustáveis com um mínimo de componentes externos. Os dois circuitos integrados são disponíveis tanto em invólucros TO- 220 (plástico) quanto TO-3 metálico, com as pinagens exibidas na figura 1.
Para implementar uma fonte de alimentação variável com esses circuitos integrados basta colocar um divisor resistivo variável entre a saída e o terminal de ajuste. Como o diodo zener de referência interna é de 1,25 V, essa é a tensão mínima que obtemos. Tensões maiores serão obtidas quando o divisor resistivo somar a sua tensão a esse diodo.
Na figura 2 apresentamos uma fonte de alimentação típica baseada nesses dois circuitos integrados.
O transformador é escolhido de modo a ter um secundário que forneça uma tensão pelo menos 2 volts maior que a tensão máxima que se deseja na saída. Para o capacitor eletrolítico de filtro é praxe usar pelo menos 1000 μF para cada ampère de corrente desejado na fonte. Assim, sugerimos 2 200 μF para o LM317 e 4 700 μF para o LM350 A, operando em suas capacidades máximas.
A tensão de trabalho desse capacitor deve ser pelo menos 60% maior que a tensão RMS do secundário do trans- formador usado. Na figura 3 temos a sugestão de placa de circuito impresso para a montagem desta fonte.
As trilhas de alta corrente devem ser largas. É prática comum deixar 1 mm de largura para cada ampère de corrente, nesse tipo de aplicação. Os circuitos integrados reguladores, para os dois casos, devem ser dotados de excelentes dissipadores de calor.
Fonte com regulador negativo
Da mesma forma que podemos regular a tensão no ramo positivo do circuito, é possível ter a regulagem negativa. Para essa finalidade, podemos contar com os circuitos integrados da série 79xx, onde o xx pode variar de 5 a 15 indicando tensões de 5 a 15 V.
Na figura 4 temos o circuito completo de uma fonte de tensão negativa, usando um CI da série 79xx. É preciso observar que a disposição dos terminais nos Cls 79xx é diferente dos Cls 78xx. A placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte é vista na figura 5.
O circuito integrado deve ser dotado de um radiador de calor apropriado e o capacitor de desacoplamento de saída pode ter valores com uma tensão de pelo menos 2 V a diferentes do indicado, conforme o mais do que a tensão que se deseja fabricante do CI. O transformador na saída da fonte, ou seja, a tensão deve ter um enrolamento secundário do regulador utilizado.
Fonte transistorizada regulada por Zener
Na figura 6 apresentamos um circuito extremamente simples para fonte de tensão regulada por diodo zener. De- pendendo do transistor usado, podemos obter correntes de até alguns ampères de saída.
Observamos que o diodo zener deve ter uma tensão de 0,6 V a mais do que a tensão desejada na saída, uma vez que existe uma queda de tensão dessa ordem na junção base-emissor do transistor.
A potência dissipada pelo transistor, que deve ser montado em um bom radiador de calor, será dada pelo produto da diferença entre a tensão de entrada e saída, pela corrente drenada pela carga. A dissipação do diodo zener é função do ganho do transistor, devendo ser de- terminada a corrente nesse componente e multiplicada pela sua tensão.
Na figura 7 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a implementação dessa fonte.
Aplicações típicas desta fonte estão na alimentação de pequenos dispositivos de baixas tensões (entre 3 e 12 V) que precisem de correntes até 1 A, aproximadamente.
Fonte de Alta Tensão (Inversor)
Pequenos inversores podem ajudar a obter altas tensões a partir de pilhas ou baterias. Embora os inversores (boost) chaveados, que são fontes elevadoras integradas, sejam muito mais eficientes na conversão de energia e por isso preferidos nas aplicações modernas, versões tradicionais analógicas ainda podem ser usadas para resolver problemas práticos imediatos, ou que não exijam altos rendimentos.
Um caso de aplicação é a substituição de baterias de 22,5 V usadas em alguns tipos de multímetros e outros instrumentos de laboratório mais antigos que, além de muito caras, são difíceis de encontrar.
Recentemente mesmo, recebemos pedi- dos de leitores para publicar esse tipo de fonte. Outra aplicação é na alimentação de tubos Geiger e alguns outros tipos de transdutores que precisam de altas tensões sob regime de baixa corrente. Na figura 8 temos então o diagrama de nossa fonte.
O transformador irá determinar a tensão obtida no secundário, podendo ser enrolado experimentalmente com o uso de um núcleo de ferrite. Esse núcleo pode ser aproveitado de uma velha fonte chaveada de computador que já não funcione mais. Enrole, então, o primário com 60 voltas de fio esmaltado 28 AWG e, depois, usando fio 32 AWG enrole o número de espiras necessário à obtenção da tensão que deseja.
Por exemplo, se pretende algo em torno de 22,5 V a partir de 4 pilhas (6 V), enrole 22/6 x 60=220 espiras. É preciso observar que a forma de onda que o circuito gera não é perfeitamente senoidal, o que significa que o secundário poderá ter picos muito maiores que os 22,5 V.
O leitor poderá fazer experiências com outras relações de espiras de modo a obter o melhor rendimento para sua fonte. Para se conseguir tensões muito altas pode ser utilizado um transformador de saída horizontal (flyback) de TV ou monitor de vídeo que, em alguns casos, já contém um triplicador. Deve ser procurado um tipo que tenha o núcleo exposto para que seja possível enrolar o enrolamento primário. Assim, após a retificação, é necessário filtrar e regular essa tensão com um zener ou um CI. No nosso exemplo, para 22,5 V, usamos um zener de 1 W.
Na figura 9 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte de alta tensão. Os resistores R, e R, assim como C, podem ter seus valores alterados experimentalmente de modo a se obter o melhor rendimento do circuito. O transistor de potência deverá ser dotado de um radiador de calor.
Fonte de alta corrente (12 V X 7 A)
Usando um regulador de tensão integrado como referência, podemos controlar diversos transistores de potência do tipo 2N3055 e com isso obter uma saída estável de alta tensão.
Para uma saída de 13,6 V, esse tipo de fonte torna-se ideal para alimentar equipamentos móveis de comunicação como transceptores de VHF e UHF de uso automotivo, numa bancada de reparos ou ainda para uso fixo.
O circuito que mostramos na figura 10 usa três transistores 2N3055, cada qual controlando uma corrente de 2,5 A, o que dá um valor máximo de saída de 7,5 A. Se o leitor precisar de menos corrente, poderá usar apenas um ou dois 2N3055.
Observe que no emissor de cada transistor colocamos um resistor de fio de baixo valor. A finalidade desse resistor é garantir que a corrente se divida igual- mente entre todos os transistores, uma vez que na condução eles apresentam resistências diferentes. Sem eles a corrente se dividiria de forma desigual, podendo sobrecarregar um dos transistores que, então, se queimaria.
Na montagem desse tipo de fonte, o principal cuidado é usar fios de espessura apropriada à intensidade da corrente que deve ser conduzida. Na figura 11 exibimos o layout da montagem, observando-se que a maioria dos componentes é externa à pequena placa de circuito impresso que tem o CI de referência.
Será conveniente proteger o circuito por fusíveis tanto na entrada quanto na saída. Também é importante observar que os transistores de potência devem ser dotados de excelentes radiadores de calor. O circuito integrado 7812, inclusive, precisa ser montado em um radiador de calor. Os resistores de 0,1 ohms e de 4,7 ohms devem ser de fio.
No trimpot pode-se ajustar a tensão de saída para valores entre 12 e 13,6 V, aproximadamente.
Fonte sem Transformador
Um tipo de fonte de alimentação bastante simples e útil é aquela que não faz uso do transformador.
Embora esse componente seja alta- mente recomendável, dado o isolamento que proporciona, há casos em que, por economia, limitação de espaço ou ainda pela não necessidade de uma segurança tão grande, pode ser usada uma fonte de alimentação sem transformador. Essas fontes aproveitam a reatância capacitiva de um capacitor, normalmente poliéster de alta tensão, para reduzir a tensão da rede de energia. Depois disso, são feitas a retificação, filtragem e regulagem.
As fontes sem transformador típicas são usadas para alimentar aparelhos de baixo consumo tais como calculadoras, relógios e outros equipamentos semelhantes cuja tensão esteja na faixa de 1,5 a 9 V tipicamente.
As correntes exigidas por esses aparelhos não devem superar os 20 mA. Com correntes maiores, os capacitores exigidos seriam muito grandes, caso em que o transformador já começa a se tornar mais interessante. Na figura 12 temos o circuito de uma fonte sem transformador para correntes até 20 mA.
O diodo zener determina a tensão de saída. O capacitor de poliéster tem valores diferentes, conforme a rede seja de 110 V ou 220 V. Os valores entre parênteses são para a tensão de 220 V. Sua tensão de trabalho deve ser pelo menos o dobro da tensão da rede em que o circuito vai ser usado. Na figura 13 vemos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação desta fonte.
É importante tomar muito cuidado com os isolamentos de todas as partes do aparelho que deve ser alimentado e da própria fonte, pois ela está diretamente conectada à rede de energia. Nenhum equipamento com partes metálicas ou elétricas expostas deve ser alimentado com esse tipo de fonte.
Fonte de Corrente Constante
Fontes de corrente constante são usadas em aplicações como carregadores de bateria, cubas eletrolíticas, etc. A fonte que apresentamos na figura 14 pode fornecer correntes de saída até 3 A.
A intensidade da corrente na carga depende de Rx e é calculada pela seguinte fórmula: I = 1,25/Rx. O valor 1,25 é dado pelo zener interno de referência do circuito integrado LM350. O mesmo circuito pode ser elaborado para correntes até 1,5 A com o uso do LM317.
Na figura 15 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação desta fonte. Lembramos a necessidade de se dotar o circuito integrado regulador de um bom dissipador de calor e construir trilhas largas para a condução das correntes mais intensas.
O transformador deve ter um secundário com uma tensão pelo menos 2V maior do que a tensão máxima que aparece na carga, nas condições de corrente constante. Veja que a tensão máxima de entrada do LM350 é de 35 V. Nas aplicações comuns como carga de bateria, a filtragem não precisa ser das melhores, daí ser usado um capacitor de valor relativamente pequeno nessa função.
Uma alteração interessante no projeto consiste em se ligar com Rx um potenciômetro de fio para se fazer o ajuste da intensidade da corrente. Um potenciômetro de 50 ohms possibilita uma boa faixa de ajustes.
Circuito Tradicional com o LM723
Um dos circuitos reguladores de tensão mais tradicionais, bastante antigo, mas ainda com uso frequente até mesmo em equipamentos fabricados atualmente, é o regulador de tensão "723".
Se o leitor precisa de uma boa fonte regulada para a bancada, o circuito com o 723 é uma boa sugestão. Esse circuito integrado possui uma série de recursos que, com alguns componentes externos, permite a elaboração de eficientes fontes de alimentação numa ampla faixa de correntes e tensões.
Na figura 16 temos uma fonte de alimentação típica de alta corrente empregando esse circuito integrado como base.
As características dessa fonte de alimentação são:
• Tensão de saída ajustável entre 2 e 15 V;
• Corrente máxima de saída: 1,2 A. Conforme podemos ver, o transistor 2N3055, que deve ser dotado de dissipador de calor, faz o controle da corrente principal, sendo a tensão fornecida como referência pelo circuito integrado 723.
Na figura 17, observamos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte de alimentação.
O secundário do transformador deve fornecer uma tensão de 15 + 15 V com 1,2 A e primário de acordo com a rede de energia. Para a filtragem, o capacitor C, deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 25 V.
Fonte Simétrica
Na maioria dos circuitos em que são utilizados amplificadores operacionais necessita-se de uma tensão positiva e de outra tensão negativa para a alimentação. Essas tensões são obtidas de uma fonte simétrica ou fonte de duas tensões, sendo uma positiva e outra negativa.
Na figura 18 temos um circuito de fonte de alimentação de 6 a 15 V, de- pendendo apenas do transformador e do circuito integrado regulador usado.
Na verdade, o que temos é uma fonte que combina os dois circuitos anteriores em um único, tendo uma referência única de terra. A placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte é exibida na figura 19.
O transformador deve ter um secundário com uma tensão com aproximada- mente 2 volts a mais da tensão que se deseja na saída da fonte simétrica. Por exemplo, para uma fonte de 12+12 V, usar um transformador de 15+ 15 V. A corrente máxima dessa fonte é 1 A e justamente deve ser essa a corrente máxima do secundário do transformador usado.
Os circuitos integrados reguladores de tensão deverão ser montados em radiadores de calor.
Fonte fixa de 1 A com circuito integrado
Reguladores de tensão de 5 a 15 V para correntes de 1 A podem ser obtidos com facilidade na forma de circuitos integrados. É o caso da série 78xx. Essa fonte pode fornecer de 5 a 15 V de tensão de saída conforme o Cl usado. O "xx" indica a tensão de saída. Por exemplo, o circuito integrado 7806 fornece uma tensão de 6 V. Na figura 20 observamos então a configuração básica para esta fonte.
Salientamos alguns fatos importantes em relação a esse circuito, e que podem ser de grande utilidade para o desenvolve- dor. Existem versões com sufixos "L", que são apresentadas em invólucros SOT-54 para correntes até 200 mA, que podem ser usadas nos casos em que desejamos menor corrente de saída.
Os capacitores de desacoplamento de saída deverão ter valores menores em alguns casos, dependendo do sufixo do CI e do fabricante. É possível aumentar a tensão de saída de um Cl da série 78xx de duas formas. Uma delas consiste em se agregar diodos comuns ou diodos zener no terminal de referência, conforme ilustra a figura 21.
Nesse circuito, os diodos comuns, polarizados no sentido direto, somam 0,6 V ao diodo interno de referência, aumentando assim a tensão de saída. Outra forma de se aumentar a tensão de saída é usando um divisor resistivo, conforme mostra a figura 22.
Na figura 23 apresentamos uma placa de circuito impresso para implementação desta fonte.
O circuito integrado regulador de tensão deve ser dotado de um radiador de calor. O transformador deve ter uma tensão de secundário pelo menos 2 V maior do que aquela que desejamos na saída, a qual é dada pelo regulador integrado usado. A corrente deve ir até 1 A de acordo com a que se pretende na saída.
A tensão de trabalho de C1 deve ser pelo menos 60% maior do que a tensão rms do secundário do transformador.
Nota: Também na seção de Mini Projetos desmembrado em MIN872 a MIN881.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 141 de 2010.
