Fontes de alimentação de alta corrente são cada vez mais importantes em aplicações que vão desde a eletrônica industrial até a eletrônica de consumo, onde as correntes exigidas por certos equipamentos de alta potência podem chegar a dezenas de ampères. Neste artigo discutiremos o projeto destas fonte e damos alguns circuitos práticos.
Fontes de alimentação de baixa tensão (até uns 30 V) com correntes que no máximo atingem um ou dois ampères são comuns na maioria das aplicações eletrônicas, e não faltam circuitos para este tipo de aparelho.
A própria montagem não oferece maiores dificuldades devido à existência de muitos circuitos integrados reguladores que podem fornecer diretamente estas tensões e correntes sem a necessidade de muitos componentes externos, e o layout da placa não é crítico.
No entanto, quando as correntes ultrapassam a marca dos 5 ampères os problemas começam a aparecer.
O primeiro deles é justamente aquele devido à não existência de componentes apropriados que possam sozinhos fornecer tensões reguladas nesta ordem de valor. Exige-se o uso de circuitos boosters externos que possam suportar as correntes elevadas, e a complexidade destes circuitos aumenta quando a corrente se torna maior ainda.
O segundo é o próprio layout da placa que exige trilhas largas, compatíveis com a corrente, ou mesmo o uso de fiação externa com fios grossos de acordo com as correntes que devem ser fornecidas.
Neste artigo vamos oferecer algumas soluções interessantes para a utilização de circuitos integrados comuns excitando etapas de alta corrente de modo a permitir a realização de fontes de até 50 ampères com tensões de até 30 V, aproximadamente.
ETAPAS DE ALTA CORRENTE
Existem diversos circuitos integrados reguladores de tensão de três terminais (fixos ou ajustáveis) que podem ser usados como base para projetos de fontes de alta corrente.
Em especial tomaremos dois tipos comuns, o 7812 para 12 V x 1 A (de tensão fixa) e o LM350T de 3 A (para tensões de 1,25 a 30 V) para exemplificar seu uso em etapas de maior corrente.
Os invólucros destes circuitos integrados são TO-220 ilustrados na figura 1.
Entretanto, os mesmos princípios válidos nos projetos com estes circuitos também o são para outros do mesmo tipo.
Os circuitos integrados 7812 e LM350T são empregados em configurações bastante simples, como mostra a figura 2.
Para se obter maior corrente destes circuitos integrados existe a opção das etapas de potência com transistores bipolares. Há diversas maneiras de se fazer isso e que são dadas a seguir:
A primeira é válida para os circuitos integrados da série 78XX, como o 7812, e faz uso de um transistor PNP de alta corrente como booster . Esta configuração é apresentada na figura 3.
O valor de R1 é calculado de acordo com a corrente máxima do regulador de tensão utilizando-se a seguinte fórmula:
R1 = 0,9/Ireg
R1 também depende do beta do transistor, conforme a fórmula:
R1 = (Beta x Vbe)/(Ireg(max) x (Beta+1) - Io(max))
A corrente no regulador não deve ser maior que 1 A e seu valor também depende do ganho do transistor Q1. Dentre os tipos de transistores que podem ser colocados nesta configuração, destacamos os seguintes:
| Transistor | Corrente |
| TIP36/A/B/C | 25 A |
| TIP34/A/B/C | 10 A |
| TIP2955 | 15 A |
Na figura 4 mostramos como agregar um transistor a este circuito de modo a fornecer proteção contra curto-circuito na saída.
O resistor Rs de proteção é calculado pela fórmula:
Rs = 0,8/Is, onde Is é a corrente de curto-circuito.
Este tipo de configuração é válida até aproximadamente 5 ampères, já que devemos considerar que mesmo que as correntes máximas dos transistores indicados sejam maiores, é preciso fazê-los operar dentro dos limites de sua dissipação.
Para o LM350 também podemos ter uma configuração equivalente que nos permita obter até aproximadamente 5 ampères de corrente com um transistor PNP de alta potência como o MJ4502. Esta configuração é exemplificada na figura 5.
O resistor R3 é quem determina a corrente de saída e a corrente no regulador de tensão de modo que ela fique dentro do limite suportado pelo CI.
Lembramos que, neste caso, tanto o circuito integrado como o transistor de potência devem ser montados em excelentes radiadores de calor.
Outra possibilidade interessante para os projetistas de fontes de alta corrente consiste no uso dos transistores 2N3055. Esses transistores, que são os "faz tudo" de alta potência, e que por isso podem ser encontrados facilmente a custo reduzido são a solução ideal para altas correntes quando for possível sua utilização.
No entanto, os 2N3055 são do tipo NPN, o que nos leva à necessidade de uma configuração um pouco diferente para sua associação a reguladores de tensão positiva de três terminais.
Uma primeira forma consiste em se usar o mesmo circuito "invertido", ou seja, com o regulador negativo de tensão 7912, e com isso colocar a etapa de controle na linha negativa de alimentação, observe a figura 6.
A segunda maneira consiste em se adotar o circuito ilustrado na figura 7, que também pode ser bem útil para correntes de até 5 A.
Para correntes maiores, em todos os casos, existe a possibilidade de se ligar em paralelo diversos transistores 2N3055, mas aí temos de considerar dois problemas a serem resolvidos.
O primeiro deles é a necessidade de um circuito de excitação que forneça à base de cada transistor a corrente necessária. Um único regulador de 1 A, por exemplo, não pode excitar suficientemente bem quatro ou cinco 2N3055, lembrando que cada um deles pode fornecer uma corrente de 5 A.
Isso pode ser conseguido facilmente com um transistor intermediário (do mesmo tipo).
O segundo problema é a necessidade de se dividir a corrente por igual entre os transistores.
Esses componentes são encontrados numa ampla faixa de ganhos, mesmo os de mesmo tipo, o que significa que quando polarizados a partir de uma mesma fonte, eles conduzem de forma diferente. Ligados em paralelo, esses transistores tendem a ser percorridos por correntes diferentes, conforme mostra a figura 8.
Num circuito de correntes elevadas isso causaria a sobrecarga daquele que está sendo percorrido pela maior corrente e que por isso tenderia à queima.
Para termos uma distribuição por igual da corrente o artifício que se faz é aumentar a tensão de base de cada transistor através da ligação de resistores de emissor em cada um.
Estes resistores de pequeno valor fazem com que os transistores fiquem mais próximos uns dos outros em termos de corrente conduzida, havendo portanto uma distribuição que não os sobrecarrega.
Na figura 9 ilustramos como obter uma fonte de 20 ampères de 12 V, utilizando um regulador 7812 e transistores 2N3055 na configuração indicada.
Todos os transistores 2N3055 devem ser montados em excelentes radiadores de calor.
Um problema que ocorre com este tipo de configuração é que a tensão de saída não é exatamente de 12 V, mas sim um pouco menos. O que acontece é que existe uma queda de tensão entre a base e emissor dos transistores da ordem de 0,7 V, a ser considerada. Assim, quando o regulador de tensão aplica 12 V na base do transistor, no seu emissor aparece apenas 11,3 V de tensão.
Uma solução interessante para resolver este problema consiste em se aumentar a tensão do regulador, utilizando-se para isso uma referência de tensão que compense a queda nos transistores.
Isso pode ser feito com a configuração mostrada na figura 10.
Cada diodo colocado em série com o terminal de referência do circuito integrado aumenta em 0,7 V a tensão de saída.
Este recurso é em especial interessante quando a fonte visa substituir baterias de carro que, como se sabe, têm uma tensão de saída da ordem de 13,2 V ou mais.
Com três diodos em série compensamos a queda de 0,7 V e ainda acrescentamos algo em torno de 1,4 V para obter na saída uma tensão um pouco maior do que os 12 V, mais próxima da exigida pelos equipamentos alimentados por baterias de carro.
CONCLUSÃO
As fontes que analisamos são do tipo linear onde transistores e circuitos integrados se comportam como resistores variáveis para a corrente controlada. Este tipo de configuração tem a desvantagem de dissipar grande quantidade de calor nos elementos de controle, o que não é muito desejável em aplicações de potências muito altas.
Todavia, a simplicidade deste tipo de circuito e a não necessidade de outra regulação que não seja a tensão de saída em alguns casos, tornam-nas ideais para aplicações menos críticas.
Para aplicações em que o rendimento da fonte é importante exigindo-se a menor perda de energia possível na forma de calor, onde o espaço para colocação de dissipadores de calor é limitado e ainda exista o problema da dissipação do calor gerado, há outras soluções mais apropriadas.
Para esses casos, as fontes chaveadas ou comutadas (SMPS - Switched-Mode Power Supplies) são as mais indicadas.
