O cálculo de circuitos eletrônicos é algo que todos os técnicos e engenheiros devem dominar e os estudantes devem treinar ao máximo. Se bem que existam muitos circuitos integrados que contenham as funções que precisamos para um projeto, existem casos em que o próprio montador precisa calcular um circuito completo a partir de componentes discretos. Nesta edição mostramos para os estudantes (e para os técnicos e engenheiros que desejam recordar) o cálculo empírico de uma etapa de regulagem de tensão usando transistores e diodos zener.
O que propomos ao leitor é o projeto de um estabilizador de tensão do tipo série usando dois transistores e que tem o diagrama de blocos mostrado na figura 1.
Usando transistores bipolares convencionais NPN o circuito teria a configuração bastante conhecida dos leitores que é mostrada na figura 2.
Partindo para um caso real, vamos supor que desejamos as seguintes características para o nosso projeto:
Ve = tensão de entrada = 22 Volts
Vs = tensão de saída = 12 volts
IL = Corrente de carga = 1 A
Rs = resistência interna da fonte = 8 ohms
RL = resistência de carga = 12 ohms
O procedimento dado a seguir pode servir de base para o projeto de reguladores que usem também transistores PNP desde que o diodo zener seja invertido e as polaridades das tensões aplicadas.
Observamos também que o leitor deve ter sensibilidade para modificar os parâmetros dos componentes usados caso os resultados levem a componentes com valores absurdos ou difíceis de encontrar.
PROCEDIMENTO
a) Escolha do diodo zener
Para este tipo de circuito pode-se escolher um diodo zener que tenha tensões entre 1/3 e 2/3 da tensão de saída nos casos comuns.
Um procedimento normal consiste em se escolher um diodo zener com metade da tensão de saída.
Isso nos leva ao valor 9,1 volts (9V1) que é bastante comum no mercado de componentes.
O tipo de 1 W pode ser encontrado com facilidade o que nos permite calcular, para efeito de projeto qual é a máxima corrente que ele pode admitir:
Vz = 9,1
Pz = 1 W
Iz(max) = ?
Iz(max) = Pz/Vz
Iz(max) = 1/9,1
Iz(max) = 0,109 A ou 109 mA
b) Calculo das tensões V2 (que aparece sobre o resistor R2) e portanto na base do transistor Q2 e cálculo da corrente I2 que passa pelo resistor Rc no circuito da figura 1.
Observe que a tensão V2 é a tensão zener (Vz) mais a queda de tensão que ocorre na junção base emissor do transistor Q2 que é da ordem de 0,6 V.
Assim:
V2 = Vz + 0,6
V2 = 9,1 + 0,6
V2 = 9,7 volts
A corrente I2 será a corrente do coletor de Q2 mais a corrente de base de Q1.
Levando em conta a tensão V2 a corrente I2 será dada por:
I2 = IL/V2
I2 = 1/9,7
I2 = 0,103 A ou 103 mA
Como este valor é maior do que a máxima corrente que o zener pode aceitar, por conveniência adota-se um valor menor com uma margem de segurança.
Para efeito de cálculo adotamos:
I2 = 60 mA
c) Cálculo do resistor Rc em série com o transistor Q2 para uma corrente de 80 mA.
Veja que o transistor usado para Q1 deve ter certas características mínimas para poder funcionar neste circuito.
Assim, para Vce (tensão máxima entre coletor e emissor) adotamos a seguinte fórmula:
Onde: Vce - tensão máxima entre coletor e emissor (volts)
Ve - tensão de entrada da etapa (volts)
DVe - variação máxima da tensão de entrada (volts)
Vs - tensão de saída (volts)
Re - resistência interna da fonte (ohms)
RL - resistência de carga (ohms)
DRl - variação máxima da resistência de carga (ohms)
Vce = 22 + 5 - 12(1 + 8/15)
Vce = 27 - 18,4
Vce = 8,6 volts
Observe que Dve é a variação máxima da tensão de entrada (para mais) enquanto que Dr1 é a variação máxima da resistência de carga (para mais)
Um transistor com uma tensão entre coletor e emissor de mais de 20 V deve funcionar satisfatoriamente no circuito.
A corrente de coletor será dada pela corrente de carga:
Ic(max) = Icarga = 1 ampère
Calculando o resistor Rc:
Para esta finalidade usamos a fórmula:
Rc = (Ve - DVe - VL - VBE)/I2
Rc = (22 - 5 - 12 - 0,6)/0,06
Rc = 4,4/0,6
Rc = 73,3 ohms
O valor comercial mais próximo pode ser 82 ohms.
Dissipação:
P = Rc x I2
P = 82 x 0,06
P = 4 W
d) Determinação dos parâmetros de Q2:
Vce(max) > Vs + Vbe
Vce(max) > 12 - 0,6
Vce(max) > 12,6 Volts
Ic(max) = I2 - Ib1 = 30 mA
Supondo um ganho maior que 50 temos:
hfe = 50
Ic2 = 30 mA
Ib2 = ?
Ib2 = Ic2/hfe
Ib2 = 0,03/50
Ib2 = 0,0006
Ib2 = 0,6 mA
e) Cálculo de R1 e R2
Uma condição importante para o funcionamento estável deste circuito é que Io seja bem maior que a corrente Ib2. Isto é necessário para se evitar que o circuito divisor de tensão seja carregado.
Um procedimento normal é fazer a corrente Io pelo menos 20 vezes maior que Ib2. Para 0,6 mA podemos adotar 10 mA para Io com segurança.
O valor do resistor R2 será dada por:
R2 = V2/Io
R2 = 9,7/0,01
R2 = 970 ohms
Pode-se adotar 1k como valor comercial mais próximo.
O valor de R1 será dado por:
R1 = (Vs - V2)/Io
R1 = (12 - 9,7)/0,01
R1 = 2,3/0,01
R1 = 230 ohms
O valor comercial mais próximo é 220 ohms.
CONCLUSÃO
Usando transistores comuns bem conhecidos podemos chegar à configuração final de nossa etapa conforme mostrado na figura 3.
Sugerimos aos leitores que recalculem a mesma etapa usando diodos zener de 10 Volts também alterando a tensão de saída para outros valores.
A montagem do circuito numa matriz de contacto pode ajudar bastante o leitor e verificar na prática os resultados obtidos pelos cálculos.
