Exp 03 - Reguladores de Tensao

EXPERIÊNCIA N 03 ◦

DIODO ZENER E REGULADORES DE TENSÃO Fundação Universidade Federal de Rondônia Núcleo de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica - DEE Disciplina de Eletrônica I

• •

•

•

•

I. OBJETIVOS  Levantar a curva característica de um diodo zener.   Estudar Estudar o funcio funcionam nament entoo de regul regulado adores res de tensão tensão a diodo zener e a transistor.  Entender o funcionamento dos CIs reguladores de tensão das famílias  7800  e  7900  e levantar suas características.  Aprender a utilizar um CI regulador de tensão ajustável LM 317.  Criar uma fonte de tensão AC/DC.

II. I NTRODUÇÃO diodo zener   é um dispositivo semicondutor que tem O   diodo quase quase as mesma mesmass caract caracterí erísti sticas cas que o dio diodo do normal normal.. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente . diodo normal normal, quando ele está   polarizado polarizado reversareversaNo   diodo mente, se a tensão reversa é muito grande, os portadores minoritários são acelerados pelo campo elétrico até atingirem uma velocidade tão alta que, colidindo com outros átomos, sua energia é suficiente para gerar novos pares elétron-lacuna que, por sua vez, são também acelerados gerando outros pares elétron-lacuna e assim sucessivamente. efeito ava avalanc lanche he ou   efeito Este fenômeno fenômeno,, denominado denominado   efeito zener, consiste, portanto, num aumento repentino da corrente reve reversa rsa,, dissip dissipand andoo uma pot potênc ência ia suficie suficiente nte para para causar causar a rupt ruptur uraa da junç junção ão PN, PN, dani danific fican ando do o diod diodo. o. A tens tensão ão na qual o efeito zener ocorre é chamada  tensão de ruptura ou breakdown voltage  ( V  Br ), como mostra a figura 1.

Figura 1. Curva característica do diodo diodo zener. zener.

aplicações visam, principalmente, a estabilização de fontes de alimentação com  ripple, como aquela projetada com filtro de capacitor em um retificador de onda. Ainda, Ainda, pelas pelas caract caracterí erísti sticas cas da últim últimaa aplica aplicação ção acima acima,, pode-se afirmar que se trata do caso mais geral, pois tanto a tensão de entrada quanto a carga são variáveis. Assim, faz-se necessária uma análise mais detalhada do circuito regulador de tensão quando neste é ligada uma carga. Basicamente, o projeto de um regulador de tensão com carga consiste no cálculo da resistência limitadora  R S , conhecendose as demais variáveis do circuito, a saber: características da tensão de entrada (constante ou com   ripple), características da carga (fixa ou variável), tensão de saída (valor desejado) e especificações do diodo zener.

III. R EGULADOR DE TENSÃO A ZENER As aplicações do circuito regulador de tensão a zener são, principalmente:   Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada constante.  Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável  A. Carga variável e tensão de entrada com ripple a partir de uma tensão de entrada constante.   Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a A figura 7 mostra um circuito regulador de tensão com carga partir de uma tensão de entrada com  ripple. variável e tensão de entrada com  ripple.  Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável O valor do resistor RS  deve satisfazer as condições dadas a partir de uma tensão de entrada com  ripple. pela pela vari variaçã açãoo exist existent entee na tensão tensão de entrad entradaa ( ripple), pela As duas primeiras aplicações visam, principalmente, a es- varia variação ção deseja desejada da para para a carga carga e pelas pelas especi especifica ficaçõe çõess do tabilização num valor menor da tensão de uma bateria ou de diodo zener. uma fonte de alimentação já estabilizada, e as duas últimas •

•

•

•

 A. Regulador de tensão de três terminais

Figura 2. Circuito regulador com carga fixa e tensão de entrada com ripple.

O regulador com tensão de saída fixa é alimentado por uma tensão CC não-regulada,  V  i , aplicada a um terminal, com um segundo terminal conectado em GND e um terceiro terminal fornece uma tensão CC regulada, V  O . Para um regulador específico, as especificações do dispositivo indicam a faixa na qual a tensão de entrada pode variar sem que a saída seja alterada, considerando, ainda, uma faixa de corrente de carga. As especificações listam também o quanto varia a tensão de saída para determinada variação na corrente de carga (regulação de carga) ou na tensão de entrada (regulação de linha).

 Corrente zener mínima I Zm Como RL e V  L são variáveis e V  Z  é constante, esta condição é mais crítica no caso em que V  E   assume seu valor mínimo  B. Reguladores de tensão positiva fixa V  Em e I RL   seu valor máximo I RLM , ou seja, quando a A série 78 de reguladores fornece tensões reguladas fixas corrente I S  é mínima: de 5 até 24V  . A figura 3 mostra como um CI dessa série, I Sm  =  I Zm  + I RLM  um  7805, é conectado para regular a tensão em  +5 V  CC . Uma tensão de entrada não-regulada V  i é filtrada pelo capacitor C 1 e Esta condição limita RS  a um valor máximo  R SM : alimenta o CI no terminal IN. O terminal OUT do CI fornece V  EM  − V  Z  +5V    regulada, que é filtrada pelo capacitor C 2   (empregado V  Em  =  R SM .(I Zm  + I RLM ) + V  Z  ⇒ RSM  = I Zm  + I RLM  para etenuar o ruído de alta frequência). O terceiro terminal do CI é conectado em GND. Mesmo variando a tensão de entrada e a carga dentro de uma faixa permitida, a tensão de saída permanece constante, ou com pequenas variações, dentro  Corrente zener máxima  I ZM  Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que de limites especificados. Esses limites são fornecidos pelas V  E  assume seu valor máximo V  EM  e I RL  seu valor mínimo folhas de especificações do fabricante. A tabela I apresenta uma lista de CIs reguladores de tensões positivas. I RLm, ou seja, quando a corrente I S  é máxima: •

•

I SM  =  I ZM  + I RLm

Porém, esta condição limita  R S  a uma valor mínimo  R Sm : V  EM  =  R Sm .(I ZM  + I RLm) + V  Z  ⇒ RSm  =

V  EM  − V  Z  I ZM  + I RLm

Assim, tem-se que RS  deve ser: RSm ≤ RS  ≤ RSM 

IV. CIS REGULADORES DE TENSÃO Há uma classe de CIs disponíveis bastante utilizados como reguladores de tensão. Os CIs reguladores contêm os circuitos de fonte de referência, amplificador comparador, dispositivo de controle, e proteção contra sobrecarga, tudo em um único encapsulamento. Embora a estrutura interna dos CIs seja um pouco diferente da descrita para os circuitos reguladores discretos, a operação é exatamente a mesma. As unidades de CI proporcionam regulação para uma tensão positiva fixa, tensão negativa fixa ou tensão ajustável. Uma fonte de tensão pode ser montada, utilizando-se uma transformador conectado à rede CA, para que a tensão seja reduzida ao nível de amplitude desejado, retificando-a depois que sai do transformador e filtrando com um capacitor e um circuito RC, e finalmente, regulando a tensão CC por meio de um CI regulador. Os reguladores podem ser escolhidos para uma operação com correntes de carga de centenas de miliampères a dezenas de ampères, correspondendo a potências de saída que variam de miliwatts a dezenas de watts.

Figura 3. Conexão de um regulador de tensão 7805.

Código do CI 7805 7806 7808 7810 7812 7815 7818 7824

Tensão de saída (V) +5 +6 +8 +10 +12 +15 +18 +24

V  i  mínimo

(V)

7.3 8.3 10.5 12.5 14.6 17.7 21.0 27.1

Tabela I  Reguladores de tensão positiva da série 7800.

A conexão de um  7805  em uma fonte de tensão completa é mostrada no esquema da figura 4. A tensão CA da rede (120V  rms ) é reduzida para 18V  rms , em cada enrolamento do transformador com derivação central. Um retificador de onda completa e um filtro (capacitor) produzem uma tensão CC não-regulada, representada com uma amplitude de aproximadamente  22 V  , com uma ondulação CA de poucos volts como

entrada para o regulador de tensão. Essa tensão é apresentada ao CI  7805, que fornece em sua saída  +5 V  CC   regulada.

Por isso, a tensão de entrada deve ser mantida em um valor suficiente para garantir uma diferença de tensão entre entrada e saída superior à tensão de desoperação.  D. Reguladores de tensão negativa fixa

Figura 4. Fonte de tensão de +5V.

C. Especificações de um regulador de tensão positiva

A folha de especificações de reguladores de tensão normalmente apresenta os dados mostrados na tabela II, para o grupo da série 7800. Há algumas considerações a se fazer a respeito dos parâmetros mais importantes. Parâmetro Tensão de saída Regulação de entrada Rejeição de ondulação Regulação de saída Resistência de saída Tensão de desopereação Corrente de saída em curto Corrente de pico na saída Tensão de entrada Dissipação contínua total Temperatura de operação

Mín. 11.5 55

Típ. 12 3 71 4 0.018 2 350 2.2

-65

Máx. 12.5 120 100

Unid. V mV dB mV Ω

40 27.1 150

V mA A V W C

A série de CIs 7900 é formada por reguladores de tensão negativa, semelhantes aos da série 7800. A tabela III apresenta a lista de CIs reguladores de tensão negativa. Como mostrado, os CIs reguladores atendem a uma faixa de tensões negativas, fornecendo a tensão esperada na saída se o valor na entrada estiver abaixo de uma valor mínimo espeficado. Por exemplo, o  7912  fornece uma saída de −12V    se a tensão na entrada do CI for mais negativa do que −14.6V  . Código do CI 7905 7906 7908 7909 7912 7915 7918 7924

Tensão de saída (V) -5 -6 -8 -9 -12 -15 -18 -24

V  i  mínimo

(V)

-7.3 -8.4 -10.5 -11.5 -14.6 -17.7 -20.8 -27.1

Tabela III  Reguladores de tensão positiva da série 7900.

 E. Reguladores de tensão ajustável

◦

Tabela II Folha de dados para o CI 7812.

Tensão de saída:  As especificações para o  7812  mostram que a tensão de saída é, normalmente,  +12 V  , mas tem como limite inferior  11 , 5V    e limite superior de  12 , 5V  . Regulação de saída:   A regulagem de tensão na saída é normalmente de 4mV  , até um máximo de 100mV   (em correntes de saída de 0, 25A até 0, 75A). Essa informação especifica que a tensão de saída pode variar apenas 4mV   da tensão nominal de  12 V  CC . Corrente de saída em curto-circuito:  A corrente de saída é limitada em, normalmente, 0.35A, se a saída entrar em curto (presumivelmente por um acidente ou por falha de outro componente). Corrente de pico na saída:  A corrente máxima nominal para CIs dessa série é  1 .5A; entretanto, a corrente comum de pico na saída que pode ser drenada por uma carga é 2.2A. Isso mostra que, embora o fabricante afirme que a capacidade do CI é fornecer 1.5A, existe a possibilidade de drenar um pouco mais de corrente (possivelmente por um breve período de tempo). Tensão de desoperação:  A tensão de desexcitação, geralmente 2V  , é o valor mínimo de tensão através dos terminais entrada-saída para que o CI opere como um regulador. Se a tensão de entrada cai muito lentamente ou a saída se eleva de modo que uma tensão de 2V  , no mínimo, não é mantida entre entrada e saída do CI, a regulação não é mais garantida.

Há reguladores de tensão que permitem ao usuário ajustar a tensão de saída para um valor desejado. O LM 317, por exemplo, pode ser operado com a tensão de saída regulada em um valor entre 1.2V   e 37V  . A figura 5 mostra como a tensão de saída regulada de um  LM 317  pode ser ajustada.

Figura 5. Conexão de um regulador de tensão ajustável LM317.

Os resistores R1 e R2   determinam o valor da tensão em qualquer nível dentro da faixa especificada ( 1.2V   até  37V  ). A tensão de saída desejada pode ser calculada utilizando-se: V  O =  V  ref 



 R 2 1+ R1



+ I ajustavel .R2

Onde normalmente: V  ref  = 1.25V   e  I ajustavel  = 100µA

(1)

• • • • • •

• • • • • •

V. MATERIAIS UT ILIZADOS d) Conecte os dois canais do osciloscópio conforme a figura e selecione o modo X-Y. Inverta o canal CH-2 (pressione   Osciloscópio   Minipa MO - 1262; o botão INVERT). Deixe os dois canais em GND e  Multímetro digital  ICEL MD - 6601; centralize o ponto luminoso no centro da tela. Depois   Gerador de funções  ICEL GV - 2002; disso, deixe o acoplamento em DC e desenhe a forma de   Transformador; onda observada.   Diodo  1 N 4007(2);   Diodos Zener de 4.7V  (1), 5.6V  (1), 6.2V  (1), 6.8V  (1),  B. Segundo passo 8.2V  (1), 9.1V  (1); Fonte de tensão regulada a zener:   Resistores;   Capacitores; a) Utilizando dos conhecimentos já adquiridos na prática CIs LM 7805(1),  LM 7905(1),  LM 317(1); anterior, monte um retificador de onda completa com   Protoboard; ponte de diodos e associe-o a um regulador de tensão   Cabo tomada    jacaré; baseado em zener. Estipule um  ripple  de  1 V  . O esquema   Cabo banana   jacaré. encontra-se na figura 7. VI. PARTE  E XPERIMENTAL

 A. Primeiro passo

Curva característica do diodo zener: a) Monte a configuração da figura 6 no protoboard.

Figura 7. Retificador com regulador a zener.

b) Estipule a carga ( RL ) como   470Ω   e o potenciômetro como 1kΩ. Para D 1  utilize qualquer um dos diodos da tabela IV. Calcule o valor de  R S  com base nas fórmulas apresentadas na introdução. Diodo : RS  :

Figura 6. Primeiro passo item a.

b) No gerador de tensão utilize uma onda senoidal de tensão de pico maior que V  Z  (V  P  > V  Z ) e uma frequência de 1kH z . Diodo

V  Z 

I ZM 

I Zm

C 4V  7

4.7V   5.6V   6.2V   6.8V   8.2V   9.1V  

76mA 59mA 54mA 49mA 40mA 36mA

7.6mA 5.9mA 5.4mA 4.9mA 4.0mA 3.6mA

C 5V  6 C 6V  2 C 6V  8 C 8V  2 C 9V  1

Tabela IV D IODOS  Z ENER .

c) Para D1  escolha um dos diodos zener da tabela IV. O valor de  R S  e a tensão  V  P  determinará o pico de corrente passará pelo diodo, então especifique um valor de RS  para que a corrente que passará no diodo zener escolhido fique entre os valores mínimo e máximo especificados na tabela IV.

Ω

c) Utilizando o osciloscópio meça a tensão em C 1 com o canal 1 e a tensão em RL   com o canal 2. Varie o potenciômetro e faça uma análise notando a diferença entre a saída de um retificador com filtro capacitivo puro e a saída com um regulador de tensão a zener. d) Com o multímetro, meça a tensão na carga  R L , compare com o valor teórico do diodo zener e meça o erro. Quais os motivos desse erro? = Erro =

V  RL

V  

%

C. Terceiro passo

Regulador de tensão LM 7805: a) Utilizando o circuito retificador anterior, monte o circuito da figura 8. Note que só foram substituidos o zener e seu resistor limitador por um LM 7805. b) Utilizando o osciloscópio meça a tensão em C 1  com o canal 1 e a tensão em  R L  com o canal 2. Varie o potenciômetro e faça uma análise comparando o regulador a zener e o a CI 7800. Qual o mais simples de implementar? Qual o mais barato? Quais as limitações de cada circuito?

mínimo e tensão de desoperação do regulador. Tensão regulada = V  i  mínimo = Desoperação =

V   V   V  

 E. Quinto passo

Regulador de tensão ajustável  LM 317: a) Monte o circuito da figura 10. Adote R 1 = 220Ω  e  V  1 = 18V  . O valor de  R 2 deverá ser obtido através da equação 1 com base nos valores de regulação da tabela V. Figura 8. Retificador com CI 7805.

c) Meça a tensão na carga  R L  com o multímetro e compare com o valor teórico do LM 7805. = Erro =

V  RL

V  

%

 D. Quarto passo

Características do reguladore  LM 7912: a) Monte o circuito da figura 9. Adote R1 = 1kΩ. A pinagem dos CIs 7800 e 7900 é a mesma.

Figura 10. Regulador de tensão variável

LM 317.

b) Meça a tensão na carga para cada caso com o multímetro, compare com o valor calculado e determine o erro. Tensão Regulada

Tensão Medida

Erro(%)

5V   10V   15V  

Tabela V Q UINTO PASSO ITEM A .

R EFERÊNCIAS

Figura 9. Características do regulador CI LM7912.

b) Varie a tensão de entrada e obtenha a tensão regulada,  V  i

[1] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. “Microeletrônica”, 5 a edição. São Paulo: Pearson Prentice Hall,   2007. [2] MARQUES, Angelo Eduardo B.; CHOUERI JÚNIOR, Salomão; CRUZ, Eduardo Cesar Alves. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores, 11a edição. São Paulo: Érica,   2007. [3] BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”,  6 a edição. Rio de Janeiro: LTC,   1998. [4] Instituto Monitor. “Eletrônica Aplicada”,  8a edição. São Paulo, Dezembro de   2006 .