FAL_intro_a

8/17/2019 FAL_intro_a

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Ver são 1.2.1 10.12.12 www .l a b o r a t o r i o .online.pt

FAL_intro_a.doc

Fontes de alimenta o (FALs): in trodu o

Uma “fonte de tensão U 0 genérica” pode ser reduzida (ousimplificada) aos blocos da figura ao lado representada:

- fonte de ten são U IN prop riamente dita;

- respetiva resis tência in terna.

Assim,

- a tensão U OUT aos seus terminais varia entre U OUT Max e U OUT Min com U In e também com a in tensid ade I O solic itada pelacarg a devido à R I ; ou seja “não é uma tensão estabilizada” ;

- há dissipação – ou perda - de po tência na resis tênciainterna R i , o que provoca aqu ecimento “interno”.

Ou seja:

U O = U IN - ∆U em que ∆U éa queda de tensão naresis tência in terna R I ( ∆U = I O *R I );

P TOTAL = P RI + P RL Define-se ainda “regulação de carga”/”load regulation” como (U O – U IMax ) / U IMax (em %) que nosindica a variação da tensão com a corrente.

As diversas soluções tecnológicas procuram dentrodos limites e caraterísticas pretendidas para cada fontereduzir ao máximo aqueles inconvenientes: reduzir as

perdas internas (e assim aumentar a eficiência) eestabilizar a tensão de saída U O.

Esquema de uma FAL estab ilizada com regu lador série (12VDC, 800mA) A tensão de referência U REF

é obtida mediante o díodozener D1 que é polarizado

por R 1. Como o díodo temU Z = 13V, a tensão U O é decerca de 12,3V.

UO = UZ – 0,7V = 12,3V

PD Q1 = UCE • IO

FALs lineares estabilizadas (com regulação em série)

RL

RI

UIn U0

I0

PRI

I0

PRL

PRINCIPAISTIPOS DE FALS

FALS LINEARES(a estabilização é obtida

mediante o controlo sobre UIN ou/e RI)

FALS COMUTADAS(a estabilização é obtida

mediante o controlo sobre a

fre uência de comuta ão

Com este circuito, a U0

deixa de depender de UIN

ou RI pois o bloco URef impõe um valor constantea UO UO = URef – O,6VT é o elemento reguladorsérie de UO.

RL UIN

T

UO URef

Neste circuito, umaamostra de U0 ( obtidana divisão potenciomé-trica de R1 e R2), écomparada com URef eo resultado regula oelemento série T.

U0

+ RL UIN

TR 1

URef R 2

Regulador

12VAC

R1180Ω

Q1BD237

D1

BZV85-C13

D

1B4B42

1

2

4

3C2100uFC1

1mF

U REF L

U O sem estabilização

I

U

U IN U O com estabilização




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Fontes de alimenta ão (FALs): introdu ão (cont.) (2)

FAL estabi lizada com regu lado r série com 2 trans istores (12VDC, 800mA)

Se a tensão UOUT aumentar, a tensão dabase de Q2 tambémaumentará e a respetivacorrente IC através de R1,provocando uma reduçãoda tensão do emissor deQ2. Analogamente, se UO diminuir, também diminuiráa tensão da base de Q2,originando maior tensão nabase de Q1 e no emissor

do mesmo. Como R3 e R4 constituem uma divisão potenciométrica podemos calcular UO = (R3 + R4)/R3 • (UZ + UBE) = 12,4V

Para se obter umatensão regulável, asérie R3+R4 docircuito anteriordeve sersubstituida poruma outra sériecom um

potenciómetro eduas resistênciasde “segurança”, ouseja:

Estabi lização com regu lador em paralelo A estabilização das FALs estudadas anteriormente é obtida com o elemento regulador – otransístor NPN – ligado em série com a carga RL. Embora com desvantagens – por causa da

dissipação de potência em Rs – também se pode usar o regulador em paralelo (Pe. LM4030, 4050..)

18VAC

R12kΩ

Q1BD237

D

1B4B42

1

2

4

3

C11mF

R31kΩ

R4

2kΩ

5%

Q2

BC237BP

R51kΩ

D1BZV60-C5V6

R6

15kΩ

Key=B

95%

L

18VAC

RL

R1

2kΩ

Q1BD237

D

1B4B42

1

2

4

3

C11mF

R33kΩ

R4

3kΩ

5%

Q2

BC237BP

R51kΩ

D1BZV60-C5V6

O díodo zener é muitousado na estabilizaçãoem paralelo

I O Rs

Dz

U IN

U O

RL U z

I S

I Z

Quando polarizadoinversamente( I ZMin ≈ 0mA ) a tensão U Z mantem-se constanteindependentemente da I Z …

Como I ZMin ≈ 0 ↔ I S ≈ I O eU Z = U O, temos queR S Max = (U IN Min – U Z )/ I O Max Para que o díodo não sefunda na U IN Max e I O Min

R S Min= (U IN Max - U Z ) / I ZMax com I ZMax= P ZMax / U Z .

U IN Max

U IN Min

U Ot

U I

U

I ZMin

I ZMáx

U Z

(P ZMáx )DZ

Q1

Rs I O

U IN U O

RL U z

I S

U B

A regulação paralelo comum transístor seria:U OUT = U Z+ U BE




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Regulação em série com realimen tação aumentada(através de ampop)

Este circuito é semelhante a um jáestudado (FAL estabilizada comregulação série com 2 transistores) .Contudo o ampop reforça arealimentação negativa: se a tensãode saída UO diminuir aumenta atensão na base de Q1 pelo queaumenta UO… e vice versa.

UOUT = (R1 + R2). UZ / R1

PD = (UIN – UO) . IC

Por vezes substitui-se Q1 por um transístor Darlington, portanto com maior ganho (cerca de 1000) para acorrente de saída do ampop: perante um ligeiro aumento de corrente na sua saída, UO estabiliza…

Proteção contra excesso de co rren te

A R2 funciona como sensorda corrente de carga IO. A

tensão UR2 = IO x R2, que éproporcional à corrente IO, éaplicada à base de Q3.Quando esta ultrapassa ovalor de 0,6V, Q3 começa aconduzir reduzindo a tensãode base de Q1, o transístorde regulação, e diminui ouanula mesmo a tensão desaída UO.

No circuito do lado (em quenovamente o efeito darealimentação é reforçado por umampop) a resistência-sensor fazQ2 conduzir quando for percorridapor uma corrente IO = 0,2A (UBE Q2 = 3Ω x 0,2A = 0,6V). Assim, acorrente de saída do ampop édesviada da base do transístor…

UZ

Q1

R1

R2U1R3

U IN U O

RL

Q1BD137

Q2

BC238BP

DzBZV60-C4V3

Q3

BC238BP

R1

470Ω

R2

1Ω

R3

10kΩ

Key=A 0

R44.7kΩ

U IN

U O RL

I O

I O U R2 = 1Ω x 0,6AU R2 =U BE =0,6V

I O Q1BD137

Q2

BC238BP

Dz

BZV60-C4V7

R1820Ω

R2

3Ω

R31kΩ

1kΩ

Key=A

50%

R4750Ω

R6750Ω

RL

U O U IN

I O

I O

I O




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Esquema de uma FAL estab ilizada com regu lador série com tensãode saída negativ a em relação à massa (-12V, 1A ).

A análise do circuitodesta FAL é muitosemelhante ao circuitoda FAL com saídapositiva anteriormenteanalisada: como opotencial positivo estáagora ligado á massa,os componentesestãoconsequentemente

reorientados (ponteretificadora,condensadores

eletrolíticos, díodo zener, transístor (agora PNP),…). Com um díodo zener de 12V, a tensão UO é de cerca de 11,4V…

D1

1N4007

D2

1N4007

D3

1N4007

D4

1N4007

C1

1mF

Q1TIP42A

R1220Ω

C2470uF

4

3

1

2

R21kΩ

0

D5BZV60-C12

U IN AC

12VAC

U O

RL




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Projeto/Blocos de uma fonte estabilizada, regulável e com proteção

A fonte que se segue é estabilizada entre 0...0,4A e regulável de 4...12V. Tem protecção parauma corrente de 0,5A.

Transf o rm ação, Rect if ic ação e Fi lt rag em : é constituido pelo tranformador 220V/12V, díodos econdensadores C1 e C2;

Gerador d e Tensão Cons tant e: Díodo Zener D5, polarizado por R3, de tal modo que mantém

sempre uma tensão de referência constante mesmo que a corrente de polarizaçãovarie/diminua;

Comparação/Reg u lação: compara uma fracção da tensão de saída através do cursor de R7 (Rvariável) com a tensão do emissor de Q4: se a tensão UBE de Q4 diminui, também diminui a IC domesmo e a que-da de tensão em R1, pelo que aumenta a polarização de Q 2/Q3... diminui a UCE de Q3, e aumenta a U0;

Pro tecção : quando a corrente em R5 aumenta de modo a obter-se uma tensão UBE para Q1 apreciável, este começa a conduzir e a “puxar” corrente do nó 13. Q2 deixa de estar àcondução...

Ampli fi cação de Potência: constituido pela ligação em ‘Par Darlington” de Q2 e Q3...

Exercício: simular e optimizar esta FAL a partir do seu circuito em MultiSim FAL_intro.ms10

V1

C11mF

R14.7kΩ

R2220Ω

Q1

BC548BC2

100nF

R31.5kΩ

C31uF

R4220Ω

Q2BC548B

Q4

BC548B

Q3BD137

C4100nF

R5

1.8Ω

R6100Ω

R7

2kΩ

Key=A

50%

R8200Ω

C5470uF

C6100nF

11

7

0

2

U3

1

4D2

1N4001

D1

1N4001

D3

1N4001

D4

1N4001

D5BZX55C3V0

15

13

10

5

16

0

6

Umais

Umenos

12V

220V

+

▬

Transformação,Rectificação,Filtragem

Protecção

TensãoRefer.

Amplificação

Comparação

TRANSFORMADOR

RECTIFICAÇÂO /FILTRAGEM

GERADORTENSÃO

REFERÊNCIACOMPARADOR

(230V)

(AC)

0V...Umax

(DC)

PROTECÇÃO

AMPLIFICADOR /REGULADOR




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OUT (10) IN (11,12)

723

PDIP14

(7)

79LXX

TO-92

OUTIN


Reguladores lineares monolíticos

Os circuitos discretos (constituídos por componentes

individuais…) de FALs estudados anteriormente são naprática muitas vezes substituídos por circuitosintegrados monolíticos, circuitos reguladores detensão série pois são os mais eficientes e baratos. Osdiversos fabricantes acrescentaram ainda outras funcionalidades etambém por isso são muito populares e facilitam o projeto de FALspara praticamente todas as situações possíveis. Estes CIS – chamados genericamente por reguladores de tensão pois, talcomo os estudados anteriormente, procuram estabilizar, e emalguns casos regular, a tensão de saída UO – apresentam-se comdiversos tipos de encapsulamento, a que correspondemcaracterísticas e aplicações diversas.

Como escolher um CI regulador de tensão(Voltage Regulator)

CaraterísticasUOUT, Tensão de saída UOUT pode ser fixa ou regulável e ainda positiva ou negativa. A série muito

popular 78XX é de tensão positiva fixa; a série 79XX é negativa também fixa. Asérie LM117/LM317 pode por sua vez regular UOUT de 1,2V a 37V.

IOUT MAX, Intensidade máximade carga

A IOUT é determinada pela carga alimentada e é limitada pela intensidademáxima IOUT MAX caraterística de cada tipo de regulador. Na série 78XX ou 79XX(cápsula TO-220) IOUT MAX é de 1A a 1,5A quando o regulador é montado numdissipador de calor. Na série 78LXX é de 100mA (cápsula TO-92, designada porbaixa potência, “low-power IC regulators”).

UINMAX, Tensão de entrada Tensão máxima que o regulador suporta à entrada sem se “queimar” porexcesso de calor.

∆U, Dropout Voltage ouTensão de Abatimento

Tensão mínima entre UIN e UOUT que garante uma boa regulação. Nas séries78XX e 79XX é de 2…3V. Quando não é possível haver aquela margem desegurança (nos circuitos alimentados por baterias…) usam-se reguladores detensão de baixo abatimento /”low dropout regulators” como os da série LM2940

que é de 0,5V a 1V com 1A em IOUT , o que torna este regulador excelente paraalgumas aplicações.

∆UOUT, Regulação de carga Mede em percentagem a variação de UOUT em função de uma gama de IOUT (quanto menor, melhor é o regulador …). P.e., no LM7815, a tensão de saída(15V) varia de 12mV quando a corrente de carga varia de IOUT = 5mA a IOUT = 1,5A.

∆UOUT, Regulação de rede Mede em percentagem a variação de UOUT em função de uma gama de UIN (quanto menor, melhor é o regulador …). P.e., no LM7815, a tensão de saída(15V) varia de 4mV quando a tensão UIN varia de UIN = 17,5V a UIN = 30V.

∆UIN /∆UOUT, Rejeição de Ripple Mede, em dB (80dB para o LM7805…), a relação dos ripples de UIN e UOUT.

Proteção contra excesso de calor Um sensor térmico interno protege o CI do excesso de calor/Potência dissipada

Proteção contra IOUT elevadas Proteção contra excesso de corrente e curto-circuitos… IQ, Corrente de repouso Quiescente corrent , corrente consumida mesmo quando IOUT = 0

IN

OUT

??78XX??3940

??2940

TO-220 IN

OUT

79XX

TO-220

78LXX

TO-92

OUTIN




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F. alimentação genérica com um regulador de 3 pinos

Caraterísticas mais gerais a 25ºC de alguns dos reguladores de trêspinos das séries 78XX e 78LXX da Texas Instruments/NationalSemicondutor (µA78XX… µA 78LXX…)

CI… UIN MAX UOUT

(Valor Típico)IOUT MAX ∆U

∆UOUT

(Carga) ∆UOUT

(Rede)

RejeiçãoRipple

IQ

CÁPSULA

µA7805C 35V 5V >1,5A 2V 15mV 3mV 78dB 8mAT

O-220µA7810 35V 10V >1,5A 2V 12mV 7mV 71dB 4,3mAµA7815 35V 15V >1,5A 2V 12mV 11mV 70dB 4,4mA

µA7824 40V 40V >1,5A 2V 12mV 18mV 66dB 4,6mA

µA78L02 30V 2,6V 100mA 1,7V 20mV 12mV 51dB 3,6mATO-92µA78L06 30V 6,2V 100mA 1,7V 35mV 16mV 48dB 3,9mA

µA7908 -35V -8V <-1,5A 1,1V 15mV 12mV 60dB 1,5mA TO-

220

LM317 40V 1,25…37V >1,5A 40V 0,1%/V 0,01%/V 57dB 50µA

µA723 40V 2…37V 150mA 40V -0,3mV/V 0,1V/V 74dB 2,3mA DIP

14

IN

GND

OUT

C 1 C 2 U OUT U IN RL

I 0UT

I Q

I IN REGULADORDE TENSÃO

(FIXO)

∆U

U IN MAX

U IN MIN

U OUT

t

U

C1, C2: condensadores de desacoplamento das correntes de alta frequência ou transitóriosrecomendados pelos fabricantes (cerca de 100nF, poliester).




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Esquema de blocos de um regulador de tensão monolítico(Fairchild Semicondutor)

Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão

Aplicação típica Para obter uma tensão estabilizada superior a V XX

Tensão de saída ajustável … Aumento da Io MÁX…




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Circuitos práticos com reguladores (série) de tensão (Cont.)

Aumento da Io MÁX e protecção contra CC FAL de tensões simétricas

FAL comutada… Estabilização de tensão negativa comregulador positivo fixo…

Aplic ação típica do LM117…317(Regulação variável)

Regulação variável com shutdown

Com IADJ.R2 ≈ 0




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Fontes de alimenta ão (FALs ): introdu ão (cont.) (10)


Regulação com intensidade elevada

FAL comutada de baixo custo…




FAL_intro_a.doc

Fontes de alimenta ão (FALs ): introdu ão (cont.) (11)


Circuito FAL com LM723…

Consultar na Net:

http://www.ti.com/lsds/ti/analog/powermanagement/power_portal.page

http://www.onsemi.com/PowerSolutions/taxonomy.do?id=448





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