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Problemas com Reguladores de Tensão Integrados (SER409)

Os integrados reguladores de tensão facilitam extremamente o projeto de fontes de alimentação com sua simplificação, barateamento e redução das causas de falhas. No entanto, existem cuidados importantes que devem ser tomados, e que se não observados podem implicar em problemas diversos. Neste artigo focalizamos os principais cuidados com fontes que utilizam estes integrados, além de darmos procedimentos para a eliminação de eventuais problemas.

Integrados reguladores de tensão de 3 terminais, e mesmo os tipo mais complexos para fontes chaveadas, são bastante populares na atualidade.

Tomando como base os tipos de três terminais, da série 78XX por exemplo, temos a possibilidade de realizar fontes de excelente desempenho, com ótima regulagem, utilizando praticamente um único componente (fig. 1).

 

Figura 1 – Reguladores típicos de 3 terminais
Figura 1 – Reguladores típicos de 3 terminais

 

 

Mas que tipo de problemas pode encontrar um projetista na elaboração de uma boa fonte?

Muitos tendem a desprezar este setor de qualquer montagem, por achá-lo crítico e por não influir de modo acentuado no desempenho de outras partes.

Porém isso implica num grande erro. Simples problemas com a fonte, que poderiam ser eliminados já no projeto, trazem às vezes sérias complicações para todo o funcionamento de um equipamento.

Analisemos alguns casos.

 

1. O regulador de tensão oscila

Com a finalidade de obter boas respostas em presença de transientes, os integrados reguladores de tensão normalmente são dotados de recursos especiais.

No entanto, capacitâncias parasitas podem facilmente desestabilizar estes recursos de modo a introduzir oscilações numa fonte.

Quando isso ocorre o projetista deve analisar o layout da placa de circuito impresso, pois trilhas longas podem significar indutâncias elevadas e o próprio posicionamento do capacitor de compensação é importante.

Este capacitor, como mostra a figura 2, deve ser montado o mais próximo possível do integrado.

 

Figura 2 – Montagem do capacitor
Figura 2 – Montagem do capacitor

 

Valores na faixa de 10 nF a 10 µF são suficientes para eliminar o problema, dando-se preferência a tipos de bom desempenho, como os de tântalo e os cerâmicos.

Também deve ser verificada a possibilidade de elementos externos ao circuito estarem provocando a oscilação.

Estes elementos podem significar cargas que não possuam um desacoplamento conveniente, necessitando assim do acréscimo deste recurso.

 

2. Perda de regulagem com cargas pequenas

A tensão de saída de uma fonte pode fugir ao esperado com uma carga de baixa corrente.

Este problema pode ter como primeira causa a necessidade de uma corrente mínima, de1mA para a maioria dos reguladores, a fim de permitir um funcionamento apropriado.

Uma solução para este problema pode ser um resistor de carga adicional em paralelo com a saída, garantindo esta corrente mínima (figura 3).

 

Figura 3 – Aumentando a carga
Figura 3 – Aumentando a carga

 

Nos circuitos que utilizam um transistor PNP, conforme mostra a figura 4, este problema pode ser causado pelo resistor entre o emissor e a base do transistor dimensionado de modo impróprio.

 

Figura 4 – Regulador com transistor PNP
Figura 4 – Regulador com transistor PNP

 

Um resistor grande demais nesta função pode afetar a regulagem com cargas de baixa corrente.

O resistor R deve ser menor que a tensão base/emissor no transistor na condição ligado, dividida pela corrente de polarização de base.

É claro que também influi no comportamento anormal de uma fonte

uma configuração inadequada do circuito.

 

3. Perda de regulagem com cargas pesadas

Este, sem dúvida, é o problema mais comum e que pode trazer graves consequências nos circuitos de potência.

Uma das causas mais comuns para este tipo de problema é a baixa tensão de entrada Existe um valor mínimo de tensão que deve ser aplicado à entrada de um regulador para que ele funcione apropriadamente.

Para o 7805, por exemplo, regulador de tensão de 3 terminais para 1A, a diferença mínima entre a tensão de entrada e de saída é de 2,0 V, o que significa que devemos ter pelo menos 7V na sua entrada para um funcionamento apropriado.

É claro que devemos levar em conta que a potência dissipada pelo regulador é dada pela diferença de tensão entre entrada e saída multiplicada pela corrente.

Assim, na melhor condição, que é com 7 V de entrada para 5 de saída, e uma corrente de1 A, temos 2 W.

Aumentando a diferença entre tensão de entrada e saída, garantimos melhor regulagem, mas ao mesmo tempo aumentamos a dissipação.

Uma outra causa, que ocorre quando usamos um elemento externo como no circuito da figura 4, é o ganho muito baixo do transistor de potência.

Finalmente temos um problema que deve ser levado em conta no projeto da placa: a resistência elétrica manifestada pelas trilhas entre o ponto em que a corrente é sensoriada e a carga (figura 5).

 

Figura 5 – Dimensionamento das trilhas
Figura 5 – Dimensionamento das trilhas

 

Outro problema que afeta a regulagem da corrente na carga sob potências elevadas é o aquecimento do integrado.

A montagem num dissipador inadequada pode causar variações de temperatura muito grandes com a corrente de carga, afetando o sistema interno de compensação que, falhando, leva variações à tensão de saída.

O aquecimento excessivo do integrado pode ainda ter consequências mais graves, como por exemplo a própria falha do circuito regulador.

Dissipadores de calor com dimensões impróprias ou mal localizados podem ser a causa deste problema. Lembramos que não basta haver um dimensionamento bom do radiador para que qualquer problema de aquecimento seja eliminado.

Os dissipadores de calor operam segundo 3 princípios: radiação, condução e convecção.

Por condução, o calor passa para os elementos próximos, eventualmente uma caixa onde ele está fixado; por radiação o calor é irradiado na forma de infravermelho para o meio ambiente, e por convecção o calor se transfere ao ar, que, circulando, o leva para longe (figura 6).

 

Figura 6 – Dissipadores de calor
Figura 6 – Dissipadores de calor

 

Em relação a este último meio, que pesa bastante no total do calor transferido, é evidente que deve haver uma maneira de facilitar a circulação de ar pelo radiador.

Desta forma, uma má instalação, que impeça esta circulação (numa caixa hermética, por exemplo) pode causar problemas sérios.

E comum a instalação dos próprios reguladores ou dos transistores de potência em radiadores de calor externos, fixados do lado de fora da caixa, ou ainda com ventilação forçada, quer seja através de aberturas numa caixa ou até mesmo com o emprego de pequenos ventiladores.

Veja que, mesmo utilizando o ventilador, a sua localização e a própria colocação da caixa deve ser rigorosamente planejada, de modo que não haja nenhum obstáculo à livre circulação do ar.

 

4. Falha do regulador durante o curto-circuito

Os reguladores de tensão de três terminais possuem sistemas de proteção contra curto-circuito.

Em alguns casos, esta proteção pode ser um circuito externo.

O mal dimensionamento de um radiador de calor pode levar o integrado ao aquecimento excessivo no curto-circuito, causando então a falha do sistema de proteção.

Outro problema é a operação do circuito fora das especificações máximas -(SOA). Durante o curto, saindo desta área de segurança, o integrado falha, não havendo a devida proteção.

 

5. Ripple excessivo

A presença de ripple em nível excessivo quer de 60 Hz quer de 120 Hz, pode ser causada por realimentação devido ao projeto inadequado da ligação da entrada reguladora.

O capacitor de filtro pode realimentar o circuito sensor pela própria trilha da placa de circuito impresso (figura 7).

 

Figura 7 – Realimentação pelo capacitor de filtro
Figura 7 – Realimentação pelo capacitor de filtro

 

Trilhas finas ou longas no circuito de entrada de referência do integrado regulador podem ser responsáveis por este problema.

 

Conclusão

E claro que os problemas citados não levam em conta erros de projeto ou mesmo a utilização de componentes defeituosos. Capacitores eletrolíticos de má qualidade na filtragem e diodos com fugas são alguns exemplos de problemas que podem afetar o funcionamento de uma fonte.

A própria fuga num transformador pode implicar em níveis de ripple inadequados ou aparecimento de transientes, que levariam os integrados reguladores à queima.

A conclusão a que chegamos é que, com a utilização de componentes apropriados e com um projeto bem feito, prevendo os problemas citados, uma fonte deve funcionar bem, não importando qual seja sua finalidade e as condições de operação.

 

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