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Referências de tensão (ART772)

As referências de tensão são utilizadas numa grande gama de aplicações práticas tais como instrumentos, conversores analógicos para digitais, microprocessadores e muito mais. Existem diversas técnicas que podem ser adotadas para se obter uma boa referência de tensão, inclusive circuitos integrados prontos de grande precisão para essa finalidade. Nesse artigo mostramos como funcionam essas referências e damos uma boa quantidade de circuitos práticos.

 

Tensões de referência precisas são importantes em muitas aplicações eletrônicas, pois elas servem de parâmetros para circuitos de medidas, aquisição de dados e muito mais.

Se bem que existam técnicas simples para se obter uma referência, como as que fazem uso de diodos zener, o grau de precisão necessário a uma aplicação pode exigir configurações muito mais elaboradas. Nesse artigo veremos os diversos tipos de configurações que podem ser usadas nessas aplicações, com uma análise de sua precisão e confiabilidade.

 

Diodo Zener

A maneira mais simples de se obter ume referência de tensão é a que faz uso de um diodo zener em série com um resistor, conforme mostra a figura 1.

 

 

O diodo zener mantém constante a tensão entre seus terminais, mesmo quando a tensão de entrada varia numa certa faixa de valores.

No entanto, esse tipo de referência tem alguns inconvenientes, principalmente devido ao fato de que um diodo zener comum além de não ser um componente com uma característica absolutamente linear, sofre alterações sensíveis da tensão que opera com a temperatura e, além disso, já vem de fábrica com uma tolerância de 5%.

Para que o leitor tenha uma idéia, damos na tabela abaixo os coeficiente de temperatura de alguns diodos zener comum assim como sua impedância dinâmica.

 

Tensão zener (V)

Coeficiente de temperatura (mV /oC)

Impedância dinâmica (ohms)

2,7

- 1,8

120

3,9

- 1,4

100

4,3

- 1,0

90

4,7

+ 0,3

85

5,6

+ 1,5

55

6,2

+ 2,0

27

9,1

+ 6,0

25

12

+ 8,0

35

15

+ 12,5

40

 

A própria resistência interna de um diodo zener como regulador já faz com que a tensão apresentada sofra variações com a tensão de carga, conforme mostra a figura 2.

 

 

Dentro de certos limites podemos usar um diodo zener na configuração indicada como referência de tensão, fixando a corrente em torno de 5 mA, tipicamente.

Dentro de uma certa faixa de operação, podemos ter uma referência de tensão que pode ser considerada razoável se a aplicação não exigir grande precisão.

Podemos melhorar a referência se utilizarmos uma configuração com um amplificador operacional, conforme mostra a figura 3.

 

 

Alimentamos o diodo zener com uma fonte de corrente constante e aplicamos a tensão de referência a um amplificador operacional operando como seguidor de tensão ou ainda com um ganho baixo que garanta uma elevada impedância de entrada para o circuito.

Nesse circuito podemos ainda variar um dos resistores da rede de realimentação controlando o ganho e assim obtendo uma tensão diferente daquela que pode fornecer o zener.

Uma grande vantagem desse circuito em relação ao uso simples de um diodo zener está na baixa impedância de saída do operacional. O circuito externo não carrega a referência, alterando assim o valor da tensão fornecida.

Numa aplicação comum, a fonte de corrente constante pode até ser um simples resistor calculado para fornecer uma corrente da ordem de 5 mA ao diodo zener.

 

Circuitos Integrados

Partindo dos problemas que as referências comuns podem apresentar podemos elaborar circuitos que compensem os problemas de variação das correntes com a temperatura e também das tensões e mais do que isso, podemos integrar esses circuitos obtendo componentes específicos para aplicações como referências de tensão.

A idéia básica de uma referência de tensão integrada pode ser melhor entendida se tomarmos como ponto de partida o circuito da figura 4.

 

 

O par de transistores Q1 e Q2 funciona como uma referência de tensão, ou seja como um "zener virtual" em que a tensão obtida depende das características de transferência dos transistores usados conforme a curva mostrada na figura 5.

 

 

Esse circuito gera uma referência do tipo "band gap" de aproximadamente 1,25 V com excelente estabilidade, sendo usado em muitos reguladores de tensão integrados.

No circuito mostrado o transistor Q1 funciona na realidade como um zener, com o coletor ligado à base, de modo a fornecer uma referência com uma corrente típica de 1 mA.

O transistor Q3 e usado como driver e a parte de corrente constante fornece uma corrente de 2,1 mA de modo que o transistor de saída terá uma corrente de coletor 1 mA.

A tensão de referência obtida desse circuito (Vref) será dada pela soma da tensão em R2 e Vbe3. Veja que essas duas tensões possuem coeficientes opostos de temperatura de modo que uma compensa a outra.

Na prática, podemos contar com uma boa quantidade de circuitos integrados de referências de tensão, sendo os mais comuns os da National Semiconductor (Agora no Grupo Texas Instruments). Na tabela dada a seguir temos alguns deles.

 

Circuito Integrado

Vref

Tolerância de tensão (*) )(+/-)

Drift PPM/oC (max)

Corrente de operação (mA)

Tipo de saída

LM329B

6V9

5%

50

0,6 – 15

Shunt

LM336B – 2.5

2V49

2%

54

0,4 - 10

Shunt

LM336B - 5.0

5V0

4,0%

54

0,4 - 10

Shunt

LM368 – 2.5

2V5

0,2%

30

0.55

Saída Série

LM368 – 5.0

5V0

0,1%

30

0,35

Saída ate 10 mA

LM368 – 10.0

10V

0,1%

30

0,35

-

LM385

1.235 – 5V3

-

-

13uA – 20 mA-

Shunt

LM385 – 1.2

1V235

2,4%

150

15uA – 20 mA

Shunt

LM385 – 2.5

2V5

3%

150

20 uA – 20 mA

Shunt

LM3999

6V95

5%

6

06 – 10 mA

Shunt

 

Esses circuitos integrados basicamente operam de duas formas para obter a tensão de referência. Num deles existe um "zener integrado" no próprio chip, normalmente de 6,9 V, o qual apresenta boas características de estabilidade. No outro caso, temos a configuração band-gap integrada, fornecendo uma tensão de 1,2 V tipicamente.

Analisemos alguns circuitos práticos com esses componentes, para que o leitor tenha uma idéia melhor de seu uso.

 

M329B

Esse circuito integrado pode ser usado numa excelente referência de tensão de 6,9 V, aproveitando-se portanto que se trata-se de um zener integrado, conforme os circuitos mostrados na figura 6.

 

 

Esse circuito pode operar com correntes de 0,6 a 20 mA no diodo zener e utiliza apenas um resistor externo para fixar essa tensão.

Para se obter uma tensão diferente "bufferizada", podemos empregar essa referência de tensão em conjunto com um amplificador operacional, conforme mostra o diagrama da figura 7.

 

 

Nesse circuito, o ganho do amplificador operacional pode ser ajustado para se obter a tensão desejada, por exemplo, 10 V com o circuito indicado. Um trimpot multivoltas permite um ajuste preciso da tensão de referência desse circuito.

 

LM336B

Conforme mostra a figura 8, esse circuito integrado é usado de modo semelhante ao anterior, já que se trata basicamente de um zener ajustável num único chip. Temos duas configurações possíveis onde o resistor em série determina a corrente pelo componente. Nesse circuito temos as tensões fixas de saída sem o uso da entrada de ajuste.

 

 

Para usar a entrada de ajuste, usamos a configuração da figura 9.

 

 

Observe entretanto que não se trata de ajuste no sentido amplo de podermos ter qualquer tensão de saída, mas sim um "trimmer", onde fixamos a tensão de saída dentro de estreitos limites, em torno da tensão de referência de componente. Por exemplo, para o LM338B -2,5 V, a faixa de ajuste é de 120 mV em torno da tensão de saída de 2,5 V.

Podemos ainda melhorar o desempenho desse ajuste com o acréscimo de um "sensor" de temperatura que faz sua compensação, conforme mostra a figura 10.

 

 

Para o LM336B - 5,0 V podemos ter uma compensação de temperatura e um ajuste mais amplo, de 500 mV, utilizando o circuito da figura 11.

 

 

É claro que podemos empregar esse componente em conjunto com outros para obter aplicações mais elaboradas de uma referência de tensão. Uma primeira possibilidade consiste num circuito que aceita uma faixa mais ampla de tensões de entrada para obter uma referência fixa de saída, conforme mostra a figura 12.

 

 

Esse circuito se baseia no LM334 que é uma fonte de corrente constante e que permite, em conjunto com o Lm336B obter tensões de referência de 2,5 V ou 5 V, conforme o componente usado. Esse circuito admite tensões de entrada de até 30 V.

Na figura 13 temos um circuito que tem por finalidade obter um sinal retangular de precisão para ajuste de circuitos. Trata-se, portanto, de uma referência de tensão modulada, ideal para calibrar osciloscópios, interfaces digitais e sistemas de aquisição de dados.

 

 

A tensão de pico obtida nesse circuito depende do circuito integrado de referência de tensão usado que pode ser o de 2,5 V ou o de 5 V.

 

LM368

Esse componentes, em suas três versões de 2,5, 5,0 e 10 V possui uma referência de tensão interna do tipo band-gap e uma etapa de potência que pode fornecer correntes de saídas até 10 mA. A tensão de saída é determinada pelo sufixo do componente.

O circuito integrado LM368 é fornecido tanto em invólucro DIL de 8 pinos como em invólucro metálico. Na figura 14 temos a aplicação básica desse componente, para uma referência de tensão de baixo ruído.

 

 

 

Os capacitores e o resistor formam um circuito de filtro que reduz o ruído. Na figura 15 temos o modo de se usar a entrada de ajuste, que também nesse caso tem uma estreita faixa de ação da ordem de 1% da tensão para se obter uma tensão de saída de grande precisão.

Para se obter uma faixa mais larga de ajuste, pode ser usado o circuito da figura 15.

 

 

Para o LM368-2.5, por exemplo, com o circuito indicado pode-se obter tensões de referência de 2,2 V a 5,0 V e para o LM368-5.0 pode-se obter tensões de saída de 4,5 V a 6,0 V com esse mesmo circuito.

Na figura 16 temos uma configuração interessante que, usando duas referências do tipo indicado pode ser usada para se obter uma referência simétrica de tensão com apenas um resistor limitador de corrente.

 

 

O resistor deve ser calculado para se obter uma corrente de 1 a 10 mA nos circuitos integrados que servem como referência de tensão.

Para se obter duas tensões de referência com um mínimo de componentes, podemos usar o circuito da figura 17.

 

 

Nesse circuito, o resistor é calculado para se obter uma corrente da ordem de 1 mA ou mais para a tensão de referências escolhida.

 

LM385-1.2

Trata-se de um regulador de tensão em invólucro SOT-54 com três terminais, mas dos quais apenas dois são usados. Conforme mostra a figura 18, ele se comporta como um zener de precisão fornecendo uma referência de 1,235 V a partir de tensões muito baixas, como a de uma única pilha de 1,25 V.

 

 

Para uma alimentação com tensões maiores, 9 V por exemplo, podemos usar o circuito da figura 19. Nessa mesma figura mostramos a versão que faz uso de uma fonte de corrente constante e dessa forma possibilitar a operação do circuito numa ampla gama de tensões de entrada.

 

 

Para a versão de 2.5 V (Lm385-2.5) temos os circuitos mostrados na figura 20.

 

 

A versão LM385 (sem sufixo) possui um terminal de ajuste, podendo operar em duas configurações básicas que são mostradas na figura 21.

 

 

Na primeira ela opera como uma referência fixa de 1,24 V que é dada pelo regulador tipo band-gap enquanto que no segundo caso, com a ajuda de um divisor resistivo é possível programar a tensão de saída para um valor maior.

Esse valor pode ser calculado facilmente somando-se 1,24 à tensão proporcionada pelo divisor resistivo. Conforme fórmula dada junto ao diagrama. Veja que esse circuito integrado também é fornecido em invólucro de três terminais SOT-54.

 

LM3999

O que diferencia este dispositivo dos demais circuitos integrados que funcionam como referências de tensão é a presença de circuito de compensação de temperatura. Na figura 22 temos o invólucro e o circuito interno equivalente.

 

 

Esse dispositivo tem um coeficiente de temperatura de 0,0002 % por graus centigrados e opera com correntes de 0,6 mA a 10 mA. A tensão de referência é de 6,95 V.

Na figura 23 temos um circuito típico de aplicação desse componente.

 

 

O resistor deve ser calculado para que a corrente no zener fique na faixa de valores admitida pelo componente.

Para uma referência de tensão "bufferizada" podemos usar a configuração mostrada na figura 24, a qual faz uso de um amplificador operacional.

 

 

O ganho de tensão do amplificador operacional pode ser ajustado no trimpot de modo a se obter tensões diferentes daquela fornecida pelo zener interno do Lm3999. No exemplo, a tensão será ajustada para um valor em torno de 10 V.

Veja que a entrada desse circuito pode ficar entre 15 V e 18 V e a compensação de temperatura interna do LM3999 é usada. Esse circuito apresenta uma precisão suficientemente elevada para poder usado na calibração de instrumentos de laboratório.

 

Conclusão

Referências de tensão são circuitos de grande importância principalmente no projeto de instrumentos de medida e para sua própria calibração.

Nesse artigo fizemos uma breve análise dos principais tipos com um enfoque especial à linha de circuitos integrados da National Semiconductor (www.national.com) que possui uma linha bastante ampla desses componentes.

Sugerimos que o leitor visite o site dessa empresa não só para ter acesso aos datasheets completos desses componentes, o que é importante para um projeto, como também para se informar sobre eventuais novos tipos que estejam sendo lançados ou que tenham sido lançados recentemente.

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