A maioria dos equipamentos eletrônicos utiliza uma ou mais tensões de alimentação. Tais tensões são fornecidas, em regime DC (CC) pelas fontes de alimentação, que convertem as várias tensões de rede AC (CA) para várias tensões DC, estabilizadas ou não.
Nota: Artigo publicado na revista Saber Eletrônica 228 de 1992.
Para esta conversão várias tecnologias são utilizadas no projeto para fins de regulação da corrente ou da tensão, que podem ser reguladores, linear tipo série ou paralelo, regulador tipo série ressonante, tipo ferro ressonante, reguladores controlados por tiristores e fontes reguladoras chaveadas. As condições de corrente, tensão, potência, custo, e outros irão influir na escolha do tipo de sistema a ser adotado em cada projeto.
Apresentamos o projeto de uma fonte de tensão contínua estabilizada e ajustável baseada no sistema de regulador linear do tipo em série, construída com componentes ativos e passivos (isto é, transistores, diodos, capacitores, resistores, etc.) todos discretos, tornando-a desse modo, muito simples de ser construída e, ao mesmo tempo, extremamente eficaz, versátil e confiável, aliado a seu baixíssimo custo. Esta fonte regulada, devido às suas baixas características de ruído (ripple) à saída, bem como por ser dotada de proteção automática contra sobrecorrentes, aliado ao fato de ser capaz de fornecer tensões de saída contidas na faixa de 11 a 32 V, e corrente da ordem de 1 A, a torna extremamente útil como sistema alimentador para auto rádios, toca-fitas, e principalmente rádio transceptores PX, do tipo usado para a faixa do cidadão, ou outros quaisquer aparelhos similares.
Este projeto não apresenta nenhuma dificuldade na obtenção dos componentes nem quanto à confecção da referida placa de circuito impresso, podendo mesmo ser montado em ponte de terminais.
O diagrama esquemático completo do projeto está representado na figura 1, na sua forma básica.
COMO FUNCIONA
O circuito apresentado é uma fonte de alimentação regulada, com proteção contra sobrecorrentes e capaz de fornecer uma tensão de saída entre 11 e 32 VCC, com os componentes especificados e a máxima corrente de saída prevista é de 1 A.
A ponte de diodos DI a D4 fornece retificação em onda completa a partir do secundário de 25 V de T1. O capacitar CI atua corno primeiro filtro, a fim de reduzir o ripple da tensão retificada, sendo esta aplicada ao conjunto de coletores de Q1 e Q2. Esses transistores estão montados na configuração "Darlington", onde Q1 opera como transistor "Driver", e Q2 é o transistor regulador conectado em série (coletor e emissor) com a carga e ele é responsável pelo controle finai da tensão de saída, previamente estabelecida pelo sistema de ajuste.
O resistor R1 fornece corrente para a polarização da base de Q1, enquanto o capacitor C2 atua de duas maneiras: a primeira reduzindo o ripple na base de Q1, que, estando conectado no sistema "Darlington" com Q2, faz com que o conjunto possua ganho muito elevado e onde qualquer perturbação presente na base de Q1 aparece muito amplificada no emissor de Q2, e a segunda é fornecer uma tensão CC pura aos coletores de Q3 e Q4.
O transistor Q4 atua como amplificador de erro, e é capaz de alterar seu estado de condução comparando as tensões existentes em seu emissor e em sua base. A tensão de referência, existente no emissor de Q4 é estabelecida por R3 e D5 (diodo zener, conhecido como diodo de referência). A tensão de controle presente na base de Q4 é oriunda do conjunto resistivo R4, P1 e R5 que constitui um dispositivo sensor. A tensão existente no cursor do potenciômetro P1 é diretamente aplicada à base de Q4, que a compara com a tensão do diodo zener D5. A diferença entre as duas tensões determina o grau de condução de Q4.
Se a tensão de saída aumenta a tensão de base de Q4 também aumenta, tornando-o mais condutivo. Isto reduzirá a corrente de base de Q1, o que por sua vez reduzirá a condução de Q2, reduzindo, dessa forma, a tensão de saída do sistema. Se a tensão de saída decair, Q4 se torna menos condutivo, o que torna o conjunto Q1 e Q2 mais condutivo, incrementando dessa forma a tensão de saída. Em resumo, o circuito é um amplificador realimentado cuja função é procurar manter a tensão de saída em um nível constante, independentemente das condições de carga.
A tensão de saída é determinada pelo ajuste do potenciômetro P1 de acordo com a seguinte fórmula:
Se o cursor de P1 estiver localizado em seu extremo inferior (ponto A), a tensão de saída será máxima e dada pela fórmula:
A tensão de saída mínima ocorre quando o cursor de P1 estiver localizado em seu extremo superior (ponto B) e:
Dos fatos já expostos, conclui-se que o valor da tensão de saída poderá ser ajustado variando-se a posição do cursor de P1.
O ajuste da tensão de saída é função do valor final do conjunto divisor de tensão, formado por R4, P1 e R5, uma vez que ele determina a quantidade de realimentação à base de Q4. Do exposto conclui-se que, quanto mais a base de Q4 se encontra próxima da saída positiva, haverá maior quantidade de realimentação, e em consequência melhor será a regulação.
Em aplicações onde a tensão de saída situa-se próxima dos 12 V, como por exemplo, autorrádios, toca-fitas e transceptores PX, os valores dos resistores R4 e R5 podem ser alterados, mas de modo que, no entanto, a soma dos valores finais de R4, P1 e R5 não sejam muito diferentes da soma dos valores constantes rio projeto inicial.
A título de exemplo, se o valor de R4 for alterado para 560 Ω e o valor de R5 para 10 kΩ, o sistema fornecerá tensões entre 10 e 15 V, situação bastante adequada ao ajuste da tensão de alimentação de auto rádios e similares.
O SISTEMA DE PROTEÇÃO
A proteção contra excesso de corrente é provida por R2 e Q3. Uma vez que R2 está conectado em série com a saída, a tensão através dele é proporcional à corrente de carga. Essa tensão é utilizada para excitar Q3 de modo que quanto maior a corrente de saída se torna, maior a condução de Q3. Quando Q3 conduz, a excitação de base é removida de Q1, o qual desliga o regulador de potência Q2, limitando dessa forma a corrente de saída. Os valores foram escolhidos de modo a limitar a corrente máxima a aproximadamente 1 A.
Na figura 2 pode-se ver o conjunto de curvas que representam a tensão de saída versus a corrente de carga, demonstrando a efetividade do limitador de corrente para o regulador básico.
Já a figura 3 representa o conjunto de curvas da regulação do sistema básico, obtidas para várias tensões de saída.
Convém observar que o circuito de proteção degrada um pouco a performance do circuito regulador, particularmente em altos níveis de corrente, uma vez que ele reduz a excitação de base de Q1. Um outro fator que também degrada a performance do sistema reside na existência do resistor R2 em série com a linha de saída, o que eleva um pouco a impedância interna da fonte, a qual deveria ser idealmente a mais baixa possível.
O estágio de potência Q1 e 02 foi escolhido de modo a ter alto ganho a temperaturas baixas com o objetivo de maximizar o controle do regulador de tensão e do protetor de corrente excessiva. Desse modo, no caso da tensão de saída máxima, Q1 requer uma corrente de base de cerca de 1 mA. R1 foi selecionado para fornecer uni máximo de aproximadamente 2,5 mA. Isso ajusta a corrente em 04 a 1,5 mA quando o regulador de corrente não está trabalhando. Quando Q3 se torna condutivo, ele deverá manipular essa corrente.
Na condição oposta, isto é, altas temperaturas e baixas tensões de saída, R1 fornece cerca de 25 mA de corrente máxima. Os requisitos de excitação para o estágio de potência não são críticos aqui, mas Q3 e Q4 devem ser capazes de manipular essa corrente de modo a se obter um controle efetivo.
Isto posto, conclui-se que Q2 necessita de um eficiente dissipador de calor e deve ser também utilizada uma pasta térmica, de modo a manter a temperatura de Q2 num valor adequado. Se a temperatura ambiente for muito elevada, poderá ocorrer que também Q1 necessite um dissipador.
UTILIZAÇÃO
Uma vez que o aparelho não possui voltímetro, o ajuste da tensão de saída deverá ser feito com o auxílio de um multímetro digital ou analógico conectado em paralelo com os terminais de saída, e atuando-se sobre o trimpot P1, faz-se variar a tensão de saída.
Caso se deseje obter uma fonte em que a tensão de saída é constantemente variada, pode-se substituir o trimpot P1 por um potenciômetro linear de 15 kΩ e além disso, agregar ao aparelho um voltímetro de CC com a escala adequada aos valores de tensão fornecidos.
OUTROS DETALHES CONSTRUTIVOS
Além do sistema regulador, foi previsto no projeto um ponto de saída conectado ao coletar de Q2, o que proporciona a obtenção de uma tensão positiva não regulada, apenas retificada e filtrada, da ordem de 35 V sem carga, que pode servir como alimentador para outros estágios do circuito sob teste.
Quanto ao transformador, no protótipo foi utilizada uma unidade mod. 3027/4 do fabricante Audium-Semikron, que possui enrolamento primário que, conectado em série ou paralelo adapta-se a redes de 110 ou 220 V e enrolamentos secundários que podem ser conectados em série, de modo a fornecer a tensão alternada adequada à fonte e na figura 4 podem ser vistas as conexões do primário do transformador, enquanto a figura 5 representa as conexões do secundário de T1. Nesta figura, observa-se que T1 possui, do lado do secundário, 5 terminais pertencentes a dois enrolamentos. Da esquerda para a direita, os três primeiros pertencem ao enrolamento que fornece 0,3 V e 8 V, enquanto os dois últimos fornecem 0 a 20 V. Conectando-se em série esses dois enrolamentos (união do 39 e 49 terminais) e obtendo-se as saídas entre o 2° e 5° terminais, obtém-se a soma das tensões 5 V (2° e 3° terminais) e 20 V (4° e 5° terminais), valor esse que se constitui na tensão alternada necessária à alimentação do sistema regulador. O LED, conectado através de R6 à saída da ponte retificadora indica que o aparelho está ligado. Por razões de segurança, o fusível F1 deve ser dimensionado em no máximo 500 mA para utilização de redes de 110 V e no máximo 250 mA, quando a rede é de 220 V. A confecção da placa de circuito impresso é bastante simples e é mostrada na figura 6.
CONCLUSÃO
A fonte aqui apresentada, embora não possa ser utilizada para tensões abaixo de 10 V é muito útil, na sua faixa de tensões, devido à sua alta estabilidade e proteção eficaz contra sobrecargas, o que protege seus componentes contra acidentes, e ainda devido ao fato de praticamente não apresentar ripple na saída regulada, o que a torna eficiente na alimentação de circuitos de áudio e RF.
