O projeto que apresentamos provavelmente não seja uma novidade para os afeiçoados em eletrônica de potência. Trata-se de uma Carga Resistiva com capacidade de dissipar até 600 watts sob carga de 10 ampères. O circuito básico é bastante versátil, podendo o projetista redimensioná-lo para atender às suas necessidades. Inúmeras são as aplicações para esse robusto equipamento de bancada, dentre as quais citamos: a determinação de parâmetros de fontes de alimentação em DC como ripple, regulação de linha, regulação de carga; a determinação dos limites de potência de resistores e certos tipos de semicondutores; a determinação da durabilidade dos contatos de relés na comutação de cargas resistivas; a avaliação de parâmetros de transformadores como potência e rendimento; a tolerância de fusíveis etc.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 193 de 1988.
Provavelmente uma das grandes dificuldades encontradas no desenvolvimento de projetos na área de eletrônica de potência sejam os testes finais que permitem ao projetista verificar se o dimensionamento de seu circuito atende às condições desejadas.
Na maioria das vezes, quando se deseja saber quanta potência pode ser dissipada por um circuito, como por exemplo, uma fonte de alimentação, é comum enfrentarmos o problema de não termos a resistência de carga ideal para esse teste. Geralmente o projetista recorre às associações resistivas que dificilmente conseguem atendê-lo, devido às limitações de tolerância e potência que esses resistores apresentam. Assim, o ideal é termos à disposição um aparelho regulável que nos possibilite, pelo simples comando de um potenciômetro, fixar o valor da resistência para a carga desejada.
O projeto que apresentamos é bastante simples do ponto de vista eletrônico, mas muito eficiente no seu desempenho e indispensável na bancada do projetista ou do técnico e até mesmo do hobista.
O princípio de funcionamento desse aparelho fundamenta-se na resistência de emissor de transistores de potência numa configuração do tipo "Booster" de corrente, regulado por uma fonte de tensão constante e estabilizada, conforme mostra a figura 1, ao qual se acrescentou circuitos de proteção contra sobrecarga e sobretensão.
CARACTERÍSTICAS DO CIRCUITO REGULADOR:
- Alimentação: 9V DC
- Consumo máximo: 50mA
- Potência máxima: menor que 600mW BOOSTER:
- Corrente máxima: 10A
- Tensão máxima para os bornes: 60V DC
- Potência máxima dissipada: 600W
O CIRCUITO
Para maior clareza, descreveremos o circuito com base no esquema elétrico da figura 2. O circuito transformador e retificador de potência leva um transformador com entrada de 110V/220V e saída de 6+6V x 150mA. Após a queda da tensão AC de entrada para 12V AC, um conjunto de quatro diodos (D1 a D4), ligados em ponte (retificador de onda completa), transforma a corrente AC em corrente DC. A retificação eleva o nível da tensão de 12V AC para aproximadamente 17V DC, isto é: Vef = Vmax/sqr(2). A filtragem é realizada por C1, que reduz sensivelmente o ripple, além de suprimir ruídos e componentes de RF da rede.
Até essa etapa, o que temos é uma tensão contínua, porém não estabilizada. A estabilização da tensão é feita por um regulador, série simples, no qual o transistor Q1 funciona como um elemento regulador, por meio da tensão coletor-emissor (VOE). O zener D10, está polarizado por R2 e, portanto, mantém constante a tensão V7, embora permita uma variação na corrente Iz que o atravessa.
INFORMAÇÕES ADICIONAIS POTÊNCIA MÁXIMA DISSIPADA EM TRANSISTORES
A dissipação de potência sobre a forma de calor (efeito Joule), é sem dúvida a mais importante das limitações para os dispositivos semicondutores. Nos transistores, além das limitações de tensão, corrente, temperatura e frequência, a limitação de potência merece especial atenção pelo projetista a fim de que o componente não se danifique.
Assim, no manual do fabricante, o projetista deverá encontrar esse parâmetro, que vem normalmente expresso como "Potência Máxima Dissipada" (PTOT, PCEmáx, ou PDmáx), para um determinado valor de temperatura, que para boa parte dos transistores é fixada em 25°C. Esse valor máximo depende do transistor considerado e pode variar de alguns miliwatts (mW), para transistores de pequena e média potência, até dezenas ou centenas de watts (W), para transistores de grande potência. Entende-se por PTOT a máxima potência que um transistor poderá dissipar sem correr risco de ser danificado, desde que sejam respeitados os limites de temperatura do ambiente (Tamb) e/ou do invólucro (Tc ou Tin) estabelecidos pelo fabricante, assim como a curva de dissipação de potência quer em função de Tamb ou Tc. O gráfico 1 ilustra a curva genérica de correção da potência dissipada para um determinado transistor em função da Tc ou Tamb.
Da análise gráfica depreende-se que um aumento da Tamb ou Tc acarretará numa diminuição da capacidade de dissipar calor pelo transistor. Consequentemente a potência máxima deverá ser diminuída para que a produção adicional de calor não venha danificá-lo.
Para calcular o valor da potência dissipada por um transistor devemos lembrar que a potência elétrica expressa em' watts (W) pode ser calculada fazendo-se o produto da tensão em volts (V) pela corrente em ampères (A), ou seja:
P (W) = V (V) x I (A)
Quando um transistor está conduzindo, devemos considerar que tanto a junção coletor-base como a junção base-emissor estarão consumindo potência e, consequentemente, produzindo calor. Como a corrente que atravessa a junção base-emissor é extremamente pequena, podemos considerar, para fins práticos, que todo o calor gerado se deva à junção coletor-base, onde a maior tensão externa é aplicada. Num circuito com emissor comum, a potência gerada no transistor é dada aproximadamente por lC x VCE. Dessa forma, conhecendo-se PTOT (dado no manual do fabricante), podemos atribuir valores a VCE até o seu valor máximo especificado, verificar o valor de Ic correspondente e traçar uma curva como a do gráfico 2. Matematicamente, como IC x VCE = constante, a curva que se obtém é um ramo de uma hipérbole que define a curva de potência para esse transistor.
Analisando-se o gráfico verificamos que existe uma correlação entre IC e VCE, no sentido de que devem ser respeitados os valores máximos de potência admissíveis. Do exposto, devemos concluir que, se nas especificações elétricas de um transistor, como por exemplo o 2N3055, obtermos os seguintes dados:
VCEmax = 60 V
Icmax = 15 A
PTOT = 117 W a Tamb = 25°C
jamais poderemos interpretar essas características como sendo um transistor que tem capacidade de conduzir 15A a 60V de tensão VCE, o que resultaria numa potência de 900W, praticamente 10 vezes maior que a sua PTOT máxima nominal à Tamb de 25°C.
Sendo a tensão VBE do transistor Q1 constante, igual a 0,6V (transistor de silício) e a tensão VZ também constante, a tensão de saída VS, que é dada pela expressão VS = VZ - VBE, será também constante. De outro modo VS pode ser expressa por VS = Ve - VCE, onde Ve é a tensão de entrada do transistor Q1.
Com base nessa expressão podemos admitir que uma variação na tensão de entrada Ve provocará uma variação na tensão do resistor R2 com consequente variação na corrente lz do zener. Como a polarização do transistor Q1 depende de lz, teremos também uma variação na tensão coletor-base do transistor 01 que, por consequência, altera a tenção coletor-emissor do mesmo, de modo a manter a tensão de saída (VS) constante.
A limitação de corrente desse regulador fica a cargo do transistor Q2, que apresenta entre a base e o emissor um resistor (R6) de baixo valor, que funciona como um sensor de corrente. Quando a corrente que o atravessa superar um determinado valor calculado, no caso 40mA, a tensão nesse resistor irá superar a tensão de início de condução VBE do transistor Q2 (0,5V para transistor de silício), e este conduzirá, reduzindo a polarização de base de Q1. Consequentemente a corrente máxima que circulará por esse resistor ficará limitada a um valor que pode ser facilmente calculado pela expressão IR6 = VBE / R6.
A importância dessa etapa é a proteção contra sobrecarga para o restante do circuito, ou seja, ele fixa o limite máximo de potência do circuito, especialmente para Q1, caso algum componente entre em curto.
O circuito regulador de potência do "booster", leva um potenciômetro (P3) que controla a polarização do transistor Q5. O trimpot P2 limita o valor máximo de corrente de polarização de base para o transistor Q5 e protege o potenciômetro P3 da sobrecarga que eventualmente possa sofrer por sua pequena resistência residual, quando este se encontrar totalmente aberto. O circuito de proteção contra sobrecarga para o "booster" é constituído pela associação de 5 resistores de fio de 5V em paralelo, que na associação apresentam uma resistência equivalente a 0,20 ohms, a qual pode dissipar até 25W, sob carga de 10A. Essa associação resistiva, do mesmo modo que R6, funciona como um sensor de corrente, permitindo que o transistor Q4 conduza caso a tensão base-emissor (VBE) desse transistor supere 1,7V, aproximadamente.
A condução do transistor Q4 limita a polarização de base do transistor Q5, e dessa forma mantém constante a corrente que atravessará o "booster".
A elevação da tensão de base do transistor Q4 é obtida pela associação em série dos diodos D8 e D9 com o emissor desse transistor. Os diodos D8 e D9 equivalem na realidade a um zener de 1V2. O diodo D7 evita que a junção coletor-base do transistor Q4 conduza quando uma tensão qualquer for colocada entre os bornes VCC e G ND, o que polarizaria a base do transistor Q5, fazendo-o conduzir mesmo que o aparelho estivesse desligado.
O circuito de proteção contra sobretensão utiliza um comparador de tensões construído em torno do operacional 741 e um relé (G1RC2 da Metaltex), que opera como chave para a entrada do "booster".
Os resistores R3 e R4 fazem um divisor de tensão para a entrada inversora do operacional, cuja tensão fica em torno de 4,25V (tensão de referência do comparador). O resistor R5, juntamente com o trimpot P1, funcionam como divisor de tensão para a entrada não inversora, do operacional. Quando a tensão de entrada do "booster" ultrapassar um determinado valor, no caso 60V DC, esse divisor atinge o valor da tensão de referência; o operacional compara e comuta sua saída, indo de 2V DC para 8V DC, aproximadamente. A comutação do operacional polariza o transistor Q3 que funciona como driver para o relé.
O chaveamento do relé de NF para NA polariza o Led2 que, nesse caso, tem o papel de indicar uma sobretensão na entrada do "booster" (over-load).
Devido ao fato do 741 não estar alimentado por fonte simétrica, não é possível zerar a tensão de off set, que se situa em torno de 2V DC. Com isso torna-se necessário o divisor de tensão de base para o transistor Q3, o qual guarda uma relação de 5:1, ou seja, 10K para 2K2, abaixando a tensão de polarização de base desse transistor para 0,36V; inferior ao valor 0,5V que é necessário para que este conduza.
O diodo D6 protege o operacional e o diodo D5, de alta velocidade de comutação, protege o transistor Q3 da força contra eletromotriz desenvolvida pela bobina do relé. Os capacitores C3 e C4 reduzem o ripple e filtram sinais de R F.
Finalmente temos a parte chave do circuito, o "booster de corrente". No circuito proposto utilizamos oito transistores de potência (Q6 a 013) da série 2N. Usamos o "velho" 2N3055 devido às suas características elétricas e seu baixo custo quando comparado com outros. Na figura 3 damos uma tabela com alguns tipos diferentes de transistores de potência que podem substituir o 2N3055.
Os transistores Q6 a Q13 são montados em paralelo e estes, juntamente com o transistor Q5, fazem uma configuração Darlington. Esse tipo de configuração possibilita um aumento considerável de dissipação de potência, o que não seria possível se fosse usado apenas um transistor. Em condições ideais, cada transistor deveria dissipar o mesmo valor de potência; contudo, isso não se observa na prática devido às diferenças de ganho de corrente • estática. Para compensar essa variação e aumentar a estabilidade desses transistores, utilizamos um resistor de fio de baixo valor associado ao emissor de cada um deles (R16 a R23).
MONTAGEM
A figura 4 mostra a disposição dos componentes nas placas e a figura 5 o modo de interligação e alguns pontos de teste. A placa 1 contém todos os componentes que trabalham em regi-me de baixa tensão e corrente. Já a placa 2 contém os resistores de potência, as ligações para a entrada e saída dos transistores de potência, o relé e os resistores de emissores. A separação em duas placas visa isolar o circuito que dissipa mais potência e consequentemente produz maior quantidade de calor.
Recomendamos ao montador que mantenha os resistores de potência um pouco afastados das placas para facilitar a circulação de ar e a dissipação de calor.
A figura 6 mostra o procedimento correto para a montagem dos transistores 2N3055 no dissipador. O uso de pasta térmica (óxido de silício) em ambas as faces da folha de mica aumenta consideravelmente a passagem de calor do corpo do transistor para o dissipador e, dessa forma, reduz o aumento de temperatura do invólucro. A mica funciona como isolante elétrico, embora seja excelente condutora de calor. Como o coletor dos transistores com invólucro do tipo SOT-3 geralmente estão ligados a este, torna-se necessário o uso de buchas para a isolação. Os parafusos são comuns, de fenda e com porcas, e medem 1/8" de diâmetro por 3/8" de comprimento. Recomenda-se também o uso de um pequeno dissipador para o TIP41C, que em determinadas condições também poderá se aquecer.
A caixa deve ser de ferro ou alumínio medindo aproximadamente 25x17x10cm. Na lista de material estão relacionados os acessórios para o restante da montagem.
É aconselhável testar o estado dos componentes mais críticos como semicondutores e relé. Recomendamos para esta tarefa seguir as orientações contidas no livro TUDO SOBRE MULTÍMETROS, de Newton C. Braga.
AJUSTE E USO
Ao final da montagem apenas dois ajustes se fazem necessários. O primeiro é em P2, o qual deverá limitar a máxima corrente que polarizará Q5, quando P3 estiver todo aberto, isto é, no seu menor valor resistivo. Para tal, manter P2 totalmente fechado e P3 totalmente aberto; ligar o aparelho em uma tensão baixa (5V) com uma carga conhecida, menor que 1A. Abrindo-se P2 vagarosamente obtém-se o ajuste.
O segundo é em P1, o qual deverá ajustar o valor do divisor resistivo de tensão para o comparador quando aos bornes do "booster" se impuser a máxima tensão, que no projeto é 60V. Esse ajuste deverá ser feito com P3 totalmente fechado. Quando o valor resistivo de P1 for tal que a tensão na entrada não inversora do 741 for igual à tensão na entrada inversora, o led2 acenderá (indicação de Overload).
Se caso o "booster" conduzir sem o aparelho estar ligado, verifique o isolamento do diodo D7 e se sua polarização está correta.
O uso desse aparelho é bastante simples e está representado na figura 7. O multímetro, ligado em série na escala DCA (Ampères), irá monitorar o nível de carga desejado para o teste pelo simples comando do potenciômetro P3.
