ELETRÔNICA ANALÓGICAReguladores de Tensão

Prof. Vitor Leãomrfilardi@hotmail.com

Departamento de Eletrônica

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Definição

RetificadorTrafo ou TransformadoresTipos de TransformadoresCircuitos Retificadores

Retificadores de Meia Onda

FiltroRegulação de tensãoFiltro a capacitorFiltro RC

Regulação a TransistorTipo SérieRegulador Tipo Série AperfeiçoadoTipo ParaleloRegulador Tipo Paralelo Aperfeiçoado

Reguladores de Tensão em CIReguladores de Tensão Fixa PositivaReguladores de Tensão Fixa NegativaRegulador de Tensão Ajustável por CI

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Definição

• Para convertermos um sinal nulo em um sinal com valor médiodiferente de zero é necessário um circuito retificador.

• A saída resultante de um retificador é uma tensão cc pulsante quenão substitui uma bateria. Poderíamos até mesmo utilizar essa tensãonesse estágio para carregar uma bateria.

• Porém para utilizarmos em aparelhos como: rádios, aparelhos desom, computadores e etc., ela não seria suficiente. Sendo necessárioum filtro.

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Corrente Contínua Pulsada

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Diagrama de Blocos do Circuito

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Transformador

• Transformadores são equipamentos utilizados na transformação devalores de tensão e corrente, além de serem usados na modificaçãode impedâncias em circuitos elétricos.

• O principio de funcionamento de um transformador é baseado nas leisde Faraday e Lenz, as leis do eletromagnetismo e da induçãoeletromagnética, respectivamente.

• Estes equipamentos possuem mais de um enrolamento, sendo queestas partes são chamadas de primário e secundário em casos detransformadores com dois enrolamentos, e em transformadores quepossuem três enrolamentos, além dos dois nomes já citados, oterceiro enrolamento é denominado terciário.

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Transformador

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Transformador

• Fórmulas associadas a transformadores:

IS =NP · IP

NS

EP

ES=

NP

NS

PP =n

∑i=1

Pi = P1 + P2 + · · ·+ Pn

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Exercícios 1 e 2

• Um transformador rebaixador de 110V para 6V deverá alimentar o seusecundário uma carga que absorve uma corrente de 4,5A. Qual será acorrente no primário?

• Um transformador elevador de 110V para 600V absorve, no primário,uma corrente de 0,5A. Que corrente está sendo solicitada nosecundário?

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Exercício 3

• Determinar a corrente no primário do transformador da figura abaixo.

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Como Identificar o Primário e o Secundário

• Supondo que o transformador tenha um primário para a rede de 110Vou 220V (primário simples) e que seu secundário seja de baixa tensão(3 a 20 volts) com corrente de 100 mA a 5 ampères, como fazer aidentificação? a) Modo visual

O enrolamento primário é feito com fio esmaltado mais fino e esse fio nãopode ser usado na conexão externa por se muito frágil, de modo que eleé conectado a fios flexíveis ou terminais externos. O enrolamentosecundário, por outro lado terá fio tanto mais grosso quanto maior for acorrente em alguns casos esse fio é suficientemente grosso para poderser usado na conexão externa. Desta forma, podemos visualmente "ver"adiferença entre os fios.

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Transformador

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Como Identificar o Primário e o Secundário

• Alguns fabricantes costumam adotar um código de cores para os fios:o preto é usado para o final de enrolamento do primário enquanto queo vermelho e o marrom são usados para identificar a outraextremidade que pode ser de 110V ou 220V.

• Por outro lado, os terminais do secundário de baixa tensão usam fiosda mesma cor. É comum encontrarmos o verde para enrolamentos de5V e o azul para 6V, mas os fabricantes não seguem todos estanorma.

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Identificando o Primário e o Secundário

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Identificando o Primário e o Secundário

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Como Identificar o Primário e o Secundário

• Supondo que o transformador tenha um primário para a rede de 110Vou 220V (primário simples) e que seu secundário seja de baixa tensão(3 a 20 volts) com corrente de 100 mA a 5 ampères, como fazer aidentificação? b) Modo teste

O multímetro é o instrumento indicado para o primeiro teste. O quefazemos então é medir a resistência dos enrolamentos. O primário detensão mais alta tem uma resistência ohmica mais elevada que osecundário de tensão mais baixa. A resistência do secundário será tantomenor quanto menor a tensão e maior a corrente.

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Identificando o Primário e o Secundário pelo multímetro

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Como Identificar o Primário e o Secundário

• Um teste de funcionamento para um transformador exige umdispositivo de segurança, no caso, um limitador de corrente.

• Se ligarmos diretamente um secundário de baixa tensão de umtransformador por engano diretamente na rede de energia teremos umcurto-circuito, pois a baixa resistência deste enrolamento resulta emuma corrente muito intensa que destrói imediatamente o componente.

• Assim não podemos experimentar o transformador simplesmentetentando ligá-lo na rede.O que podemos fazer entretanto é usarlimitador de corrente que é a lâmpada comum de 40 a 60 watts

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Identificando o Primário e o Secundário pelo multímetro

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Tipos de Transformadores

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Circuitos Retificadores

• Retificador é um dispositivo que permite que uma tensão ou correntealternada ca (normalmente senoidal) seja retificada, sendotransformada em contínua.

• Existem vários processos de retificação. E vários tipos de retificação.Considerando o mais comum das retificações, a tranformação de umacorrente alternada senoidal em corrente contínua cc.

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Retificador de Meia Onda

• Fórmulas associadas ao circuito de meia onda:

Imedio =Ipico

πVmedio =

Vpico

π

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Funcionamento de uma Ponte Retificadora

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Retificador de Onda Completa

• Fórmulas associadas ao circuito de meia onda:

Imedio =2 · Ipico

πVmedio =

2 ·Vpico

π

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Retificador de Onda Completa - Trafo com Center Tap

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Filtro

• Apesar de que uma bateria fornecer uma saída cc basicamenteconstante, a tensão cc derivada de uma fonte de sinal ca pelaretificação e filtragem conterá alguma variação ca (ondulação).

• Quanto menor a variação comparada com o valor cc, melhor seráa operação de filtragem. Menor será o ripple

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Filtro - Ripple

• Considere a medida da tensão de saída de um filtro realizada por umvoltímetro dc e por um voltímetro ac (rms). O voltímetro dc leráapenas o nível médio da tensão dc. A medida feita pelo voltímetro aclerá apenas a tensão ac (assumindo que o sinal ac é acopladoatravés de um capacitor).

r =tensão de ripple(rms)

tensão dc=

Vr (rms)

Vdc×100%

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Exercício 4

• Utilizando um voltímetro dc e ac para medir o sinal de saída de umfiltro, obtemos as leituras de 25Vdc e 1,5 Vrms. Calcule o ripple datensão de saída do filtro.

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Regulação de tensão

• Outro fator importante em uma fonte de tensão é de quanto ela varia asua tensão cc ao tipo da carga. Em outras palavras, quando nãoexiste carga ela fornece uma tensão, quando se aplica uma cargaessa tensão cai para um determinado valor.

• Esse fator é denominado de VR - voltage regulation

%VR =tensão sem carga - tensão com carga plena(rms)

tensão com carga plena

%VR =VNL−VFL

VFL×100%

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Exercício 5

• Uma fonte de tensão cc fornece 60V quando não existe cargaconectada na saída. Quando conectada a uma carga, a tensão nasaída cai para 56V. Calcule o valor da regulação de tensão.

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Filtro a Capacitor

• O circuito de filtro mais popular é o que utiliza um simples capacitor.Um capacitor é conectado na saída do retificador, e uma tensão dc éobtida nos terminais deste.

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Carga sem filtro

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Carga com filtro - Tensão de Ondulação

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Tensão de Ondulação

• A tensão de ondulação pode ser calculada por:

VR(rms) =Icc

4√

3fC=

2,4 · Icc

C=

2,4 ·Vcc

RLC34 of 68

Exercício 6

• Calcule a tensão de ondulação de um retificador de onda completacom um capacitor de 100µF, conectado a uma carga que drena 50mA.

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Filtro Passivo - RC

• Quanto maior o capacitor na etapa de filtragem menor será o ripple nasaída, porém isso aumenta a corrente que passa nos diodos. Umasolução é aplicar um segundo estágio de filtragem usando filtrospassivos RC.

• Assim o resultado será que quase toda a componente ca sejaatenuada consideravelmente sem comprometer a corrente nos diodosretificadores.

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Circuito - Filtro RC

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Circuito - Filtro RC

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Análise CC para o Filtro Passivo - RC

• Como ambos os capacitores são circuitos abertos, para operação cc,a tensão cc resultante na saída será:

V ′cc =RL

R + RL·Vcc

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Exercício 7

• Calcule a tensão cc em uma carga de 1kΩ para um filtro RC ondeR=120Ω e C=10µF. A tensão cc no capacitor que antecede o circuitoRC é de Vcc = 60V .

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Análise CA para o Filtro Passivo - RC

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Análise CA para o Filtro Passivo - RC

• Devido ao divisor de tensão entre a impedância ca do capacitor e oresistor de carga, o componente ca da tensão de saída na carga é:

V ′r (rms)∼=XC

R·Vr (rms)

• A impedância ca do capacitor para um retificador de onda completade 120Hz, pode ser calculada por:

XC =1,3C

OBS: C em µF e XC em kΩ

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Exercício 8

• Calcule os componentes cc e ca do sinal de saída através da cargaRL no circuito abaixo. Calcule a sua ondulação.

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Regulação a Transistor

• Existem dois tipos de reguladores de tensão a transistor: Regulador de tensão tipo série Regulador de tensão tipo paralelo

• Cada tipo de circuito pode fornecer uma tensão cc de saída reguladaou estabelecida em um determinado valor, mesmo que haja umavariação da tensão de entrada ou uma alteração do valor da cargaconectada.

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Regulação a Transistor tipo Série

• Os elementos em série controlam quando a tensão de entrada passapara a saída. A tensão de saída é representada por um circuito quefornece uma tensão de realimentação para ser comparada com umatensão de referência. Se a tensão de saída aumenta, o circuito comparador fornece um sinal de

controle que faz com que o elemento de controle diminua o valor datensão de saída, mantendo assim a tensão constante

Se a tensão de saída diminui, o circuito comparador fornece um sinal decontrole para que o elemento de controle aumente o valor da tensão desaída.

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Diagrama de Blocos do tipo Série a Transistor

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Circuito do Regulador a Transistor - Série

VO = VZ −VBE

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Exercício 9

• Calcule a tensão de saída e a corrente no Zener do circuito reguladorda figura abaixo para uma carga RL = 1kΩ.

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Regulador Tipo Série Aperfeiçoado

• Para melhorar o desempenho do circuito será necessárioadicionarmos ao circuito mais um transistor e um par de resistores R1

e R2 no circuito de amostragem.

• O diodo Zener irá funcionar como tensão de referência enquanto queQ2 controlará a corrente de base no transistor Q1 a fim de variar acorrente que passa e assim manter constante a tensão de saída doregulador.

• A tensão de saída poderá ser calculada por:

VO =R1 + R2

R2· (VZ + VBE2)

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Circuito do Regulador Aperfeiçoado Série a Transistor

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Exercício 10

• Qual é a tensão regulada de saída fornecida pelo circuito aperfeiçoadopara os seguintes valores: R1 = 20kΩ, R2 = 30kΩ e VZ = 8,3V .

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Regulação a Transistor tipo Paralelo

• O regulador de tensão tipo paralelo realiza a regulação desviandocorrente de carga para regular a tensão de saída.

• A tensão de entrada não regulada fornece corrente à carga. Partedessa corrente é desviada pelo elemento de controle a fim de mantera tensão regulada na saída.

• Quando a tensão na carga tenta variar devido a própria variação dacarga, o circuito de amostragem realimenta o sinal a um comparador,que então fornece um sinal de controle para alterar a quantidade decorrente (ISH ) que está sendo desviada da carga.

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Diagrama de Blocos do Tipo Paralelo

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Circuito do Regulador Tipo Paralelo

VL = VZ + VBE

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Exercício 11

• Determine a tensão regulada e as correntes do circuito para oregulador tipo paralelo abaixo.

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Circuito Regulador Aperfeiçoado Tipo Paralelo

• O diodo Zener irá fornecer uma tensão de referência, de maneira queo resistor R1 tenha em seus terminais a variação da tensão na saída.

• Quando a tensão de saída tentar variar, a corrente desviada pelotransistor Q1 varia, mantendo a tensão constante.

• O transistor Q2 proporciona uma corrente de base maior para otransistor Q1 do que no circuito anterior. Fazendo com que esseregulador seja capaz de suprir a carga com uma corrente de maiorintensidade.

• Sua tensão de saída é calculada por:

VO = VL = VZ + VBE1 + VBE2

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Circuito Regulador Aperfeiçoado Tipo Paralelo

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Reguladores de Tensão em CI

• Existe uma classe de CI (Circuitos Integrados) disponíveis que sãobastantes utilizados como reguladores de tensão.

• Esses CI reguladores contêm os circuitos de fonte de referência,amplificador comparador, o dispositivo de controle e a proteção contrasobrecarga tudo em único encapsulamento.

• Podemos encontrá-los para regulação positiva fixa, negativa fixa eajustável.

• Uma fonte de tensão pode ser montada utilizando um circuitoretificador, um filtro capacitivo e um regulador em CI. Bem prático!

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Reguladores de Tensão em CI

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Reguladores de Tensão Positiva da Série 7800

Código do CI Tensão de Saída (V) Vi Mínimo (V)7805 +5 7,37806 +6 8,37808 +8 10,57810 +10 12,57812 +12 14,67815 +15 17,77818 +18 21,07824 +24 27,160 of 68

Especificações dos Reguladores de Tensão em CI

• Tensão de Saída: Temos uma pequena variação da tensão de saídaem 12±0,5V.

• Regulação de saída: A regulação da tensão na saída é normalmentede 4mV, até um máximo de 100mV (em correntes de saída de 0,25Aaté 0,75A).

• Corrente de saída em curto-circuito: A corrente de saída é limitadaem, normalmente, 0,35A, se a saída entrar em curto.

• Corrente de pico na saída: A corrente máxima nominal para CIdessa série é 1,5A. Entretanto a corrente comum de pico na saídapode chegar a 2,2A por um pequeno espaço de tempo sem danificar oCI.

• Tensão de desoperação: A tensão de desexitação, geralmente de2V, é o valor mínimo de tensão que deve haver entre os terminais deentrada-saída para que o regulador funcione.

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Reguladores de Tensão Positiva da Série 7900

Código do CI Tensão de Saída (V) Vi Mínimo (V)7905 -5 -7,37906 -6 -8,37908 -8 -10,57910 -10 -12,57912 -12 -14,67915 -15 -17,77918 -18 -21,07924 -24 -27,1

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Exercício 12

• Para um transformador com uma saída de 15V e um filtro com umcapacitor de 250µF, calcule a tensão mínima necessária na entrada,quando conectamos uma carga de 400mA da fonte. Depois altere ofiltro para 1000µF e recalcule a tensão.

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Solução

• A)

Vr (pico) =√

3Vr (rms) =√

32,4 · Icc

C=√

32,4(400)

250= 6,65V

Vcc = Vm−Vr (pico) = 15−6,65 = 8,35V

• B)

Vr (pico) =√

32,4(400)

1000= 0,96V

Vcc = Vm−Vr (pico) = 15−0,96 = 14,04V

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Regulador de Tensão Ajustável por CI

• Existe reguladores de tensão que permite ao usuário que ajuste atensão de saída para um valor desejado. O LM317, por exemplo, podeser operado com tensão de saída regulada em um valor entre 1,2 V à37 V.

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Regulador de Tensão Ajustável por CI

• Os resistores R1 e R2 determinam o valor da tensão em qualquernível dentro da faixa especificada. A tensão de saída desejada podeser calculada utilizando-se do seguinte equacionamento:

VO = Vref ·(

1 +R2

R1

)+ Iajust ·R2

• Onde Vref = 1,25V e Iajust=100µA

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Exercício 13

• Determine a tensão regulada no circuito com LM317 com R1 = 240Ωe R2 = 2,4kΩ

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Para Saber Mais

Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 8a Edição - ROBERTL. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY - Capítulo 18.

Eletrônica Básica. Teoria e Prática Vol.2 - Editora McGraw-Hill -Wilson e Kaufman.

Notas de aula - Professor Vitor Leão

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