Regulador de Tensão com Diodo Zener

Regulador de Tensão com Diodo Zener

    Regulador de tensão é um circuito ou componente que altera o nível de tensão disponível para o desejado. Em outras palavras, nem sempre temos a mão uma fonte de alimentação com a tensão desejada para o nosso circuito. Exemplificando, uma fonte de alimentação de 15V e um aparelho ou circuito que aceita até 9V. Podemos ligar assim mesmo e contar com a sorte que nada aconteça, né? Não, nunca devemos fazer isso. Devemos adequar sempre a fonte de alimentação para o nível de tensão correto.

    Na postagem passada, foi apresentado a vocês um circuito de fonte de alimentação linear onde tensão máxima alcançada foi de 22,6V utilizando um transformador de 16V RMS. Mas eu coloquei como exigência do projeto uma saída de 18V. Como fazer isso?

    Existem algumas opções prontas para se fazer isso, mas vou mostrar uma que é bem fácil de fazer. Utilizaremos aqui um diodo Zener. Este diodo ele é capaz de trabalhar em sua região de ruptura e quando polarizado reversamente limitando a corrente com um uso de um resistor em série, se obtêm uma tensão constante chamada Vz.

Figura 1: Simbologia de um diodo Zener. Fonte: Do Autor.

    Existe um cálculo para encontrar o valor do resistor em série (Rs). São duas fórmulas em que encontrarem o valor mínimo e o máximo do resistor:

    Rs (mínimo) = Vi – Vz / Iz(máximo) + Io(mínimo)

    Rs (máximo) = Vi – Vz / Iz(mínimo) + Io(máximo)

    Sendo:

    Vz = Tensão Zener (no nosso caso 20V);

    Vi = Tensão de Entrada (no nosso caso 22,6V);

    Iz máximo = Valor máximo de corrente suportado pelo diodo Zener, encontrado como Iz no datasheet                          do componente;

    Iz mínimo = Valor mínimo de corrente para o diodo regular a tensão Zener. Usasse 10% do IZ                                     máximo.

    Pz = Potência suportada pelo diodo Zener.

    E como encontrar o diodo Zener com a tensão desejada? Com uma simples pesquisa pelo site busca Google é facilmente encontrado. Exemplo: pesquisando por Diodo Zener 20V 1W, encontraremos o modelo 1N4747. Mais para frente vocês entenderão o motivo de usar um diodo de 20V e não um de 18V.

    

Figura 2: Diodo Zener comercial no encapsulamento de vidro DO-41. Fonte: Baú da Eletrônica (https://www.baudaeletronica.com.br/media/catalog/product/cache/1/image/800x/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/1/n/1n4728_4_2.jpg)

    No datasheet deste diodo Zener vemos que seu IZ máximo é de 45mA, logo seu Iz mínimo será de 4,5mA. Ou para encontrar o IZ máximo aplicamos a segunda lei de Ohm onde a potência é igual ao produto da tensão com corrente.

    Isolando a corrente teremos I = P/V; I = 1W/20V; I = 45mA aproximadamente.

    Então para fins de cálculo usaremos um exemplo, Io mínimo de 20 mA e Io máximo 40mA

    Rs mínimo = 22,6 – 20V / 45m + 20m = 40 Ω

    Rs máximo = 22,6 – 20V /4,5m + 40m = 58.43 Ω

    Precisamos utilizar resistor com valor comercial dentro desta faixa.

    Agora eu quero utilizar os valores que citei acima. Lembrando Vi = 22,6V; Vo=Vz=20V;
Io máximo = 1A e o Io mínimo será de 0.

    Rs mínimo = 22,6 – 20/45m + 0 = 57,77 Ω

    Rs máximo = 22,6 – 20/4,5mm + 1 = 2,59 Ω

    Agora veio uma dúvida, né? Como o valor mínimo é maior que o valor máximo. A resposta é: o uso do diodo Zener para alguns circuitos é limitado, não consigo usar ele em todos os casos. Mas posso através de um transistor obter uma corrente de saída máxima menor e aplicar o diodo Zener em qualquer circuito.

    Lembrando rapidamente sobre um transistor NPN. Temos três correntes envolvidas: corrente de coletor IC, corrente de base IB e corrente de emissor IE. Para o cálculo do valor RS máximo usaremos a corrente de base do transistor como Io máximo.

    Corrente de base é a divisão da corrente de emissor pela soma do ganho (β ou hFe) mais um.

    IB = IE/β + 1

    Corrente de emissor será a nossa corrente máxima na saída da fonte, que no nosso exemplo é 1A. O β ou hFe, encontramos no datasheet do componente.

    Para melhorar o circuito, podemos associar transistores de modo onde a corrente de base resultante seja muito pequena, dando um ganho alto na corrente de emissor. Esta associação se chama Darlington. Existem transistores Darlington pronto como o TIP122. Mas podemos montar nosso par Darlington com dois transistores NPN.

    Logo nossa corrente de base resultante será calculada por

    IB = Io / (β do "transistor 1" + 1) x (β do "transistor 2" +1)

    Lembrem-se Io = IE, corrente de saída da fonte é igual a corrente de emissor.

    Mais uma vez escolherei componentes que eu tenho em bancada. Minha associação Darlington será feita com um NPN BD139 e outro NPN MJE 13009, com ganhos que variam de 100 a 250, e 8 a 40, respectivamente. Usarei a média destas faixas de valores. Então:

    IB = 1 / (175 +1) x (16 + 1) = 334µA

    Vejam o ganho de corrente resultante com essa associação. Para 334µA aplicados a base do transistor Darlington, teremos 1A no emissor (saída).

    Então nosso novo valor de RS máximo será:

    RS = 22,6 - 20 / 4,5m + 334µ = 537,86Ω

    Agora encontraremos um valor comercial de resistor que atenda a faixa de 57,77Ω a 537,86Ω. Vou usar um de 220Ω. E também é importante calcular a potência que esse resistor dissipará.

    P = RS x Izmáximo²

    P = 220 x (45m²)

    P = 0,45W

    Meu resistor escolhido será um de 220Ω e 1W. Mais da metade da potência calculada para o componente trabalhar sem esforço.

    Os transistores do tipo bipolar de junção, que são estes que estamos usando, possuem uma queda de tensão de 0,7V entre os terminais de base e emissor. Esta tensão de queda se chama VBE. Estamos utilizando dois transistores na configuração Darlington, então nossa queda de tensão VBE será de 1,4V. Logo dos 20V regulados pelo diodo Zener, ficaremos com 18,6V disponíveis na saída da fonte. Esse valor pode ser diferente na prática, pois 0,7V é um arredondamento matemático. Na prática a tensão de VBE varia de transistor para transistor.

    Pronto, já podemos montar nosso circuito. Para melhorá-lo adicionei um resistor de 10kΩ para estabilizar a tensão de saída, dois capacitores de 10uF e 100nF para filtragem de possíveis ruídos e um diodo com o catado ligado ao lado positivo e o anodo ligado ao negativo, para proteção contra inversão de polaridade, caso a fonte seja usada para recarregar uma bateria e também servirá de diodo roda livre para uso de cargas indutivas conectadas a fonte.

Figura 3: Esquemáticos do circuito utilizando o software KICAD. Acima, utilizando o BD139 e MJE 13009 montados como par Darlington. Abaixo, utilizando um NPN TIP122. Fonte: Do Autor

Figura 4: Circuito montado em matriz de contato. Fonte: Do Autor.

    Concluímos assim nossa fonte de alimentação linear de 18V e de até 1A na saída. Essa corrente passará pelo MJE 13009 que suporta, segundo o datasheet do componente, até 12A no seu coletor, ou seja, está superdimensionado. Eu seu lugar podemos usar outros NPN como:

NPN	Corrente de Coletor
2N3055	15A
MJE13007	8A
MJE15032	8A
TIP41	6A
TIP31	3A

    Mas também existem transistores NPN já na configuração Darlington em um único encapsulamento. Então no lugar do BD139 e MJE13009, pode utilizar:

NPN DARLINGTON	Corrente de Coletor
TIP122	5A
2N6387	8A
TIP142	10A

      Agora falando sobre a montagem, é necessário sempre o uso de bons dissipadores de alumínio e até mesmo ventoinhas de refrigeração, pois conforme irá drenado corrente, os NPN dissiparam potência em forma de calor.

    Se confeccionarem as placas deste circuito e montá-las em um gabinete, a dica que passo é não soldar os NPN à placa e sim colocá-los ao lado de fora do gabinete com dissipador e fazer as conexões dos terminais a placa através de fios.

      Usem o campo de comentário abaixo para deixarem suas sugestões, dúvidas e ou críticas. Sou grato pela atenção de vocês, e os vejo na próxima postagem.

Luiz Cherem

Técnico em Informática e Eletrônica.