10 Fontes de alimentação (ART1083)

Fontes de alimentação consistem num 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 vão de poucos volts até milhares de volts. Encontrar uma configuração que se adapte à aplicação que estamos desenvolvendo nem sempre é simples. Assim, como nosso principal objetivo é facilitar o trabalho de todos que desenvolvem circuitos, damos neste artigo uma coletânea de 10 circuitos de fontes de alimentação lineares. (2004)

Diferentemente das fontes chaveadas, as fontes lineares ou analógicas, usam transistores, ou outros componentes, 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 e até hoje utilizados amplamente, apesar do aumento da presença das fontes chaveadas ou digitais em muitas aplicações, pelas vantagens que apresentam.

Assim, existem configurações tradicionais de fontes analógicas que até hoje são muito úteis e por isso utilizadas quando precisamos de uma tensão ou corrente regulada para alimentar um projeto e exigências como rendimento elevado, baixa queda de tensão no elemento regulador, etc. não são muito importantes.

Para os desenvolvedores que precisam deste tipo de fonte damos então 10 circuitos práticos tradicionais de grande utilidade.

Fonte Transistorizada Regulada por Zener

Na figura 1 apresentamos um circuito extremamente simples de uma fonte de tensão regulada por diodo zener.

 

Dependendo 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, já que existe uma queda de tensão dessa ordem na junção base-emissor do transistor.

A potência dissipada pelo transistor, que deve ser montado num 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 determinada a corrente nesse componente e multiplicada pela sua tensão.

Na figura 2 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 com Regulador Negativo

Da mesma forma que podemos regular a tensão no ramo positivo do circuito, podemos ter a regulagem negativa.

Para essa finalidade, podemos contar com os circuitos integrados da série 79xx, onde o xx pode variar de 05 a 15 indicando, tensões de 5 a 15 V.

Na figura 3 temos o circuito completo de uma fonte negativa de tensão, usando um CI da série 79xx.

 

É preciso observar que a disposição dos terminais nos CIs 79xx é diferente dos CIs 78xx.

A placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte é mostrada na figura 4.

 

O circuito integrado deve ser dotado de um radiador de calor apropriado e o capacitor de desacoplamento de saída pode ter valores diferentes do indicado, conforme o fabricante do CI.

O transformador deve ter um enrolamento secundário com uma tensão de pelo menos 2 V a mais do que a tensão que se deseja na saída da fonte, ou seja, a tensão do regulador utilizado.

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 CI usado. O “xx” indica a tensão de saída.

Por exemplo, o circuito integrado 7806 fornece uma tensão de 6 V.

Na figura 5 temos então a configuração básica para esta fonte.

 

Observamos alguns fatos importantes em relação a esse circuito, e que podem ser de grande utilidade para o desenvolvedor.

Existem versões com sufixos “L” que são apresentadas em invólucros SOT-54 para correntes até 200 mA. Elas 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.

Podemos aumentar a tensão de saída de um CI da série 78xx de duas formas. Uma delas consiste em se agregar diodos comuns ou diodos zener no terminal de referência, conforme mostra a figura 6.

 

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 7.

 

Na figura 8 mostramos 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, dada pelo regulador integrado usado. A corrente deve ir até 1 A conforme a que se deseja na saída.

A tensão de trabalho de C1 deve ser pelo menos 60% maior do que a tensão rms do secundário do transformador.

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 9 usa dois 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, pode usar apenas um ou dois 2N3055.

 

Observe que no emissor de cada transistor usamos um resistor de fio de baixo valor. A finalidade desse resistor é garantir que a corrente se divida igualmente entre todos os transistores, já que na condução eles apresentam resistência diferentes.

Sem eles a corrente se dividiria de forma desigual, podendo sobrecarregar um dos transistores que então 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 10 mostramos o layout da montagem, observando-se que a maioria dos componentes é externo à pequena placa de circuito impresso que tem o CI de referência.

 

Será conveniente proteger o circuito por fusíveis tanto na entrada como na saída.

Também é importante observar que os transistores de potência devem ser dotados de excelentes radiadores de calor. O circuito integrado 7812 também precisa ser montado num radiador de calor.

Os resistores de 0,1 Ω e de 4,7 Ω devem ser de fio.

No trimpot pode-se ajustar a tensão de saída para valores entre 12 e 13,6 V aproximadamente.

Fonte Simétrica

Na maioria dos circuitos em que são utilizados amplificadores operacionais necessita-se de uma tensão positiva e de uma 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 11 temos um circuito de fonte de alimentação de 6 a 15 V, dependendo apenas do transformador e do circuito integrado regulador usado.

Na verdade, o que temos é uma fonte que combina os dois circuitos anteriores, num único tendo uma referência única de terra.

A placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte é mostrada na figura 12.

 

O transformador deve ter um secundário com uma tensão com aproximadamente 2 volts a mais a 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 de Tensão Variável com o LM350T/LM317

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. O LM317 tem uma versão com sufixo HV que pode fornecer tensões até 57 V.

Usando esses componente podemos elaborar fontes de alimentação ajustáveis com um mínimo de componentes externos.

Os dois circuitos integrados são disponíveis tanto em invólucros TO-220 (plástico) como TO-3 metálico, com as pinagens mostradas na figura 13.

 

 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 14 temos 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 1 000 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 transformador usado.

Na figura 15 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, neste tipo de aplicação.

Os circuitos integrados reguladores, para os dois casos, deve ser dotado de excelentes dissipadores de calor.

Circuito Tradicional com o LM723

Um dos circuitos reguladores de tensão mais tradicionais, bastante antigo, mas ainda em uso freqüente até mesmo em equipamentos fabricados hoje, 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 usando 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 temos 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 C1 deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 25 V.

Fonte de Alta Tensão (inversor)

Pequenos inversores podem ajudar a obter altas tensões a partir de pilhas ou baterias. Se bem que 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 podem ainda 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 pedidos 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 18 temos então o diagrama de nossa fonte.

 

O transformador vai 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 a obtenção da tensão que deseja.

Por exemplo, se deseja 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 obter tensões muito altas pode ser usado 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 19 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem dessa fonte de alta tensão.

 

Os resistores R1 e R2 assim como C1 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 sem Transformador

Um tipo de fonte de alimentação bastante simples e útil é aquela que não faz uso do transformador.

Se bem que esse componente seja altamente recomendável, dado o isolamento que proporciona, existem 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 é feita a retificação, filtragem e regulagem.

As fontes sem transformador típicas são usadas para alimentar aparelhos de baixo consumo 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 começa a se tornar mais interessante.

Na figura 20 temos então 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 21 temos 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 22 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 LM150. O mesmo circuito pode ser elaborado para correntes até 1,5 A com o uso do Lm³17.

Na figura 23 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 adotar trilhas largas para a condução das correntes mais intensas.

O transformador deve ter um secundário com uma tensão pelo menos 2 V 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 Ω possibilita uma boa faixa de ajustes.