Regulador Zener com Seguidor
Um regulador zener com seguidor é uma combinação do regulador com transistor emissor seguidor com regulador zener, obtendo as vantagens de ambos: a tensão de saída não varia com a tensão de entrada e a potência utilizada pelo regulador é proporcional à corrente de saída. Veja na imagem abaixo o regulador zener com seguidor.
O resistor R1 não é necessário para o funcionamento do regulador, mas seu uso possui duas vantagens:
* Redução da potência dissipada no transistor
* Proteção contra curto-circuito na saída
A tensão de saída do regulador é dada pela tensão zener do diodo menos a queda de tensão base-emissor do transistor.
VE = VZ – VBE
Precisamos polarizar o diodo zener com uma corrente IZ, pra que ele apresente sua tensão zener VZ. Portanto precisamos escolher R2 para que ele forneça a corrente de polarização do diodo e a corrente de base máxima do transistor com tensão de entrada mínima.
IBmax = IEmax / (hFE + 1)
IR2min = IZmin + IBmax
R2 < (VINmin – VZ) / IR2min
O resistor R1 precisa ser escolhido para limitar a queda de tensão sobre ele, para que com tensão de alimentação mínima e corrente de saída máxima a tensão do coletor seja maior que a tensão de saída do regulador.
R1 < (VINmin – VZ + VBE) / IEmax
A potência dissipada no diodo zener e no seu resistor de polarização são pequenas e geralmente não precisam de dimensionamento. No entanto, a potência dissipada no resistor R1 e no transistor precisam ser dimensionadas.
A potência nominal do resistor R1 precisa ser maior que a potência dissipada nele.
PR1 > (VINmax – VZ + VBE)^2 / R1
A potência nominal do transistor precisa ser menor que a potência dissipada nele. A potência dissipada no transistor depende de duas variáveis: a tensão de entrada e a corrente de saída do regulador. Podemos ver que a potência dissipada forma uma equação de segundo grau (ax^2 + bx + c), com um valor máximo (pois a < 0). A potência máxima dissipada no transistor, dada pela última equação abaixo, ocorre quando IE = (VINmax – VZ + VBE) / (2 * R1).
PQ > [ (VINmax – VZ + VBE – VR1) * IE ]max
PQ > [ (VINmax – VZ + VBE – R1 * IE) * IE ]max
PQ > [ (VINmax – VZ + VBE) * IE – R1 * IE^2 ]max
PQ > (VINmax – VZ + VBE)^2 / (4 * R1)
Caso o resistor R1 tenha sido removido a potência máxima no transistor ocorrerá com a máxima corrente de saída. Neste caso a potência do transistor precisa ser PQ > (VINmax – VZ + VBE) * IEmax.
Exercício 1 (resolvido)
Projete um regulador zener com seguidor de 5V para correntes de 0 a 100mA, com tensão de entrada de 12 a 15V. Forneça no mínimo 10mA de corrente de polarização para o diodo zener.
1) Para o regulador escolhemos um diodo zener 1N4734, com tensão zener 5,6V e potência 1W. Como transistor escolhemos BC547, com VBE = 0,7V e potência 0,5W. Consideraremos que o ganho de corrente do transistor é hFE = 100. Dessa forma obtemos tensão de saída VE = 4,9V.
VZ = 5,6V
PZ = 1W
VE = VZ – VBE = 4,9V
2) Calculamos o resistor de polarização do diodo zener para que conduza a corrente mínima necessária. Obtendo R2 = 560Ω.
IBmax = IEmax / (hFE + 1) = 0,100 / 101 = 0,001
IR2min = 0,010 + 0,001 = 0,011A
R2 < (VINmin – VZ) / IR2min = 582Ω
R2 = 560Ω
3) Calculamos então o resistor R1, para reduzir a potência dissipada no transistor. Obtemos R1 = 62Ω.
R1 < (VINmin – VZ + VBE) / IEmax
R1 < (12 – 5,6 + 0,7) / 0,100
R1 < 71Ω
R1 = 62Ω
4) A potência nominal do resistor R1 precisa ser maior que a potência máxima dissipada nele. Obtemos, portanto R1 = 62Ω/2W.
PR1 > (VINmax – VZ + VBE)^2 / R1
PR1 > (15 – 5,6 + 0,7)^2 / 62
PR1 > 1,2W
PR1 = 2W
5) A potência nominal do transistor precisa ser maior que a potência máxima dissipada nele. Como para o transistor BC547 a potência máxima é PQ = 0,5W, podemos utilizar ele no regulador.
PQ > (VINmax – VZ + VBE)^2 / (4 * R1)
PQ > (15 – 5,6 + 0,7)^2 / (4 * 62)
PQ > 0,3W
Exercício 2
Nosso projeto possui uma fonte de alimentação regulada de 5V ±10%. Mas precisamos também alimentar um circuito integrado que precisa ser alimentado de 3 a 3,6V. O consumo deste circuito varia entre 10 e 120mA. Projete um regulador zener com seguidor para alimentar este circuito.
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