Introdução ao Regulador de Tensão

Shunt

Os reguladores de tensão de derivação são compostos por um resistor em série com um diodo Zener polarizado inversamente, onde a tensão de saída é paralela aos terminais do diodo, como na imagem abaixo.

Note na imagem acima que o circuito é muito similar ao de um divisor de tensão, e que a tensão de saída do regulador é a tensão sobre o diodo Zener (tensão Zener), consequentemente a tensão de saída irá variar de acordo com o modelo de diodo utilizado. O resistor ("Rs") do circuito é dimensionado levando em consideração a potência, corrente mínima e tensão Zener do diodo para que ele alcance a zona de ruptura.

Este tipo de regulador de tensão possui a desvantagem de apresentar ruídos na tensão de saída, quando o diodo Zener do conjunto dissipa muita energia. Isso não costuma ser um problema para a maioria das aplicações, mas o uso de capacitores de desacoplamento sempre ajuda a amenizar este problema. Além disso, este tipo de regulador costuma ser utilizado para cargas pequenas, pois ele é capaz de fornecer uma corrente muito baixa em sua saída, devido ao calor que é dissipado no circuito. Outro ponto importante é que este regulador é muito dependente de sua carga, já que a tensão Zener varia de acordo com a corrente do sistema.

Series

O regulador de tensão em série deve ser o modelo mais comum e usado, além de ser muito semelhante com o regulador de tensão de derivação. Ele também é composto de um circuito com um resistor em série com um diodo Zener, porém ao invés de utilizar a tensão do diodo como saída, esta tensão é utilizada como referência para a base de um transistor, como na imagem abaixo.

Note na imagem acima que a tensão de saída ("Vout") é composta por duas tensões, a tensão Zener ("Vz") e a tensão entre a base e o emissor do transistor ("Vbe"). Deste modo, a tensão de saída é igual à diferença das duas tensões, como na seguinte fórmula.

Devido à estas características, este tipo de regulador apresenta diversos problemas de instabilidade na tensão de saída. Essa variação é causada por qualquer alteração na carga do sistema, o que faz com que a calibração do sistema seja perdida, aumentando ou diminuindo a tensão de saída. Esse tipo de problema costuma ser corrigido através de um circuito de resposta (feedback), que pode ser criado por meio de um segundo transistor, como na imagem abaixo.

Note na imagem acima que os elementos principais do regulador ainda estão presentes no circuito ("R4", "Dz1" e "Tr1"), porém foi adicionado um segundo transistor entre o diodo Zener e o primeiro transistor, que é responsável por comparar a tensão de saída ("Vout") com a tensão de resposta ("Vf"), que por sua vez é fornecida pelo divisor entre os resistores da saída ("R1" e "R2"). O divisor de tensão da saída é controlado por um resistor variável (potenciômetro), para definir a tensão de resposta e ajustar a tensão de saída. Nesta configuração, a tensão de saída é representada pela soma entre a diferença entre a tensão de saída e a tensão de resposta, e a soma da tensão do diodo Zener com a tensão entre a base e o emissor do transistor de resposta, como na próxima fórmula.

Deste modo, é possível observar como a tensão de saída é comparada com a tensão de resposta e como a alteração do valor de resposta é capaz de ajustar a tensão de saída. Quando o potenciômetro tem o eixo movido, a tensão de resposta é alterada, fazendo com que a tensão de saída seja ajustada.

Boost

Os conversores amplificadores, ou "boost", como são conhecidos, são usados para aumentar a tensão de saída em relação à tensão de entrada. Para isso eles utilizam um circuito básico composto por um indutor em série com a alimentação positiva de entrada, que está conectado em série a um diodo, por sua vez conectado a um capacitor em paralelo com a saída do circuito. Entretanto, entre o indutor e o diodo há um MOSFET que está conectado paralelamente à saída do circuito, como na imagem a seguir. É possível criar este circuito utilizando outros modelos de transistores, mas a escolha deve ser determinada por uma série de fatores, dentre eles a corrente que o circuito irá conduzir, a tensão e a velocidade de chaveamento.

Note na imagem acima que o que gera o chaveamento do MOSFET é uma onda quadrada, o que facilita o controle do circuito, já que é possível aumentar ou diminuir a tensão de saída de acordo com "duty cycle" aplicado à onda, ou seja, é possível controlar este circuito através de um PWM.

Neste circuito, quando uma borda de subida é enviada para o MOSFET, o mesmo permite a passagem de corrente entre os seus terminais Dreno e Fonte, criando um curto-circuito entre o indutor e a fonte de entrada do circuito, o que faz com que passe corrente pelo indutor, o carregando eletromagneticamente, como na imagem abaixo.

Note na imagem acima que não há corrente considerável passando para a saída do circuito, e isso se deve fato de que, quando o MOSFET fecha o circuito entre o indutor e a alimentação de entrada, a resistência da carga de saída é infinitamente maior que a resistência desta parte do circuito.

Já para a borda de descida da onda de controle, o MOSFET se mantém fechado, o que permite que o indutor libere toda energia que ele armazenou para o circuito, juntamente com a passagem de corrente da fonte de entrada. Deste modo a corrente passa pelo diodo do circuito e chega ao capacitor, o carregando enquanto a carga é alimentada, como na próxima imagem.

Neste momento, o indutor do circuito libera a energia que armazenou, resultando no aumento da tensão de saída do sistema. Esta tensão de saída é igual à soma da tensão liberada pelo indutor (VL) com a tensão de entrada (Vin). Esta tensão de saída também é usada para carregar o capacitor, garantindo que ele mantenha a tensão de saída enquanto o indutor estiver sendo carregado.

Para finalizar o ciclo, o sinal de entrada volta a ser uma borda de subida, fechando novamente o circuito entre o MOSFET, o indutor e a fonte de entrada. Entretanto, como o capacitor de saída está carregado, ele libera energia para a carga. Neste momento o diodo do circuito impede a passagem de uma corrente reversa, graças à sua polaridade, como na imagem a seguir.

Nesta configuração, a tensão de saída (Vout) é igual à razão da tensão de entrada (Vin), pela diferença unitária do "duty cycle" (D) da onda de controle, como na fórmula a seguir.

O "duty cycle" varia entre 0 e 1 (correspondendo a 0 e 100%), portanto, quanto maior o ciclo de trabalho do sistema, maior será a tensão de saída do conversor.

Buck

Os circuitos abaixadores, ou "buck", como são conhecidos, são usados para abaixar a tensão de saída em relação a tensão de entrada. Assim como os circuitos amplificadores, também são compostos de um diodo, um capacitor, um indutor e um MOSFET, porém em uma configuração diferente. Para os circuitos "buck", o MOSFET está em série em com o indutor, que está conectado ao capacitor em paralelo à saída. Entretanto, entre o MOSFET e o indutor há um diodo, que cria um circuito de "flywheel" na saída, como na imagem abaixo.

Assim como para o conversor amplificador, para o conversor abaixador é necessário aplicar um sinal de onda quadrada para o seu chaveamento, o que também permite um controle por PWM.

Quando a onda do sinal de controle se encontra em um nível lógico alto, o MOSFET é polarizado, permitindo a passagem de corrente pelo indutor, pelo capacitor e pela carga. Neste momento, a energia recebida pela carga é limitada, já que parte desta energia está sendo consumida pelo indutor para se carregar. Além disso, neste momento é aplicada uma alta tensão positiva ao diodo do circuito, o que faz com que ele não seja polarizado, como na imagem abaixo.

Já quando o sinal de controle se encontra em um nível lógico baixo, a passagem de corrente é impedida pelo MOSFET e a alimentação da carga é feita pela energia armazenada pelo capacitor e pelo indutor. Neste momento o diodo do circuito é polarizado, fechando o circuito, como na próxima imagem.

Nesta configuração, a tensão de saída (Vout) é igual ao produto da tensão de entrada (Vin) pelo "duty cycle" do chaveamento (D), como na fórmula a seguir.

Desta maneira, quanto maior o "duty cycle", mais próxima do valor de entrada será a tensão de saída. Consequentemente, para reduzir a tensão de saída, é necessário reduzir o ciclo de operação do sistema.

Buck Inverter

É possível alterar levemente o circuito do conversor abaixador para que ele forneça uma tensão negativa. Para isso, a posição do indutor é trocada com a do diodo e a polaridade do capacitor é invertida, como na imagem abaixo.

Nesta configuração, a tensão de saída (Vout) pode variar entre 0 V e -Vin.

Buck-Boost

Os conversores Buck-Boost são compostos de um circuito misto, com as configurações de componentes de conversores Buck e de conversores Boost, como na imagem a seguir.

Este tipo de conversor DC/DC é usado para ajustar a tensão de saída quando há uma tensão de entrada variável, por exemplo com baterias. A bateria de LiPo é um dos modelos de baterias que possui uma tensão variável. Quando completamente carregadas, suas células possuem uma tensão de 4,2 V, e chegam até 3,2 V quando descarregadas. Com esse tipo de conversor, podemos aumentar a tensão de saída quanto a bateria está descarregada, e diminuir a tensão de saída quando ela está completamente carregada, ou seja, um ajuste variável conforme a variação de tensão de entrada.

Note que, nesta configuração, são necessários dois MOSFETs e dois diodos, o que cria a necessidade de um controle duplo de acionamento. Vamos começar entendendo o funcionamento deste conversor como abaixador. Para isso, é necessário utilizar uma onda quadrada para controlar o acionamento do primeiro MOSFET (Tr1), e quando ela se encontrar em uma borda de subida, o MOSFET irá ser polarizado, permitindo a passagem de corrente pelo indutor (L), pelo segundo diodo (D2), pelo capacitor (C) e para carga. Neste momento, assim como circuito buck simples, o primeiro diodo (D1) está impedindo a passagem de corrente e o indutor está se carregando, fazendo com que a tensão de saída seja reduzida, como na imagem abaixo.

Quando este sinal está em nível lógico baixo, o MOSFET Tr1 impede a alimentação do circuito pela tensão de entrada, o que resulta na descarga do capacitor e do indutor, polarizando o diodo D1, como na próxima imagem.

Nesta configuração e neste modo de operação, a tensão de saída (Vout) sempre é menor ou igual à tensão de entrada (Vs), como na configuração buck simples.

Diferentemente da operação como abaixador, para este tipo de conversor operar como amplificador é necessário utilizar ambos os MOSFETs do sistema. O MOSFET Tr1 deve ser sempre mantido polarizado e o MOSFET Tr2 é controlado através de um sinal de onda quadrada, como na imagem a seguir.

Quando o sinal de controle do Tr2 se encontra em uma borda de subida, é criado um curto-circuito entre a fonte de alimentação e a parte inicial do circuito, como visto na imagem acima. Neste momento o indutor do sistema é carregado, enquanto o capacitor de saída se descarrega, mantendo a carga alimentada. A tensão carregada no capacitor (Vc) é igual à tensão de saída (Vout), portanto é aproximadamente igual à soma da tensão de entrada (Vs) com a tensão do indutor (VL), que foi utilizada para carregar o capacitor em um ciclo anterior.

Já quando a onda de controle se encontra em um nível lógico baixo, o MOSFET Tr2 é fechado, impedindo a passagem de corrente entre os seus terminais, o que faz com que o MOSFET Tr1 permita a passagem de corrente para o restante do circuito. Neste momento o capacitor volta a ser carregado e o indutor libera toda a energia armazenada. Consequentemente, a tensão de saída (Vout) é igual à soma da tensão de entrada (Vs) com a tensão do indutor (VL), como na imagem abaixo.

Nesta configuração e neste modo de operação, a tensão de saída (Vout) é maior ou igual a tensão de entrada (Vs), como na configuração boost simples.