Queda de tensão em fonte regulada com transistor (sem CI's)

João Vitor Maia · 12 de março de 2017

Boa noite pessoal, sou novo aqui e já vi alguns posts com dúvidas parecidas, mas não consegui resolver meu problema.

Seguinte, sou estudante de Engenharia Elétrica e pretendo construir uma fonte de tensão ajustável de 5 a 15 V usando somente transistores como regulador de tensão (circuito em anexo). Estou seguindo um projeto base que tem no livro do Cipelli (capa vermelha), lá tem a dedução de equações e etc, as quais venho me baseando.

O primeiro problema é que pra formulação que o livro fornece para cálculos de resistores não sai os valores exatos de tensão, por exemplo, ao invés de sair 15 V sai 16,4 V, ao invés de sair 5 V sai 6 V e etc. Queria saber se alguém consegue me fornecer uma maneira mais eficiente ou alguma outra base pra eu poder equacionar e encontrar valores para os resistores e componentes do meu circuito.

E o segundo problema (e mais importante) é que quando aumento minha carga (ou seja diminuo a resistência RL), meu regulador perde a característica de regular!! Se era pra dar 15 V, por exemplo, ele da 14,8 e vai diminuindo conforme aumento minha carga. Eu sei que isso é algo esperado quando se exige mais corrente de uma fonte, mas alguém sabe uma solução pra atenuar ou até mesmo evitar esse problema? Lembrando que eu projetei minha fonte para fornecer 700 mA no máximo, mas acima de 300 mA ela já começa a cair a tensão na carga.

Ahh, outra dúvida. Existe algum parâmetro quantitativo e/ou qualitativo para informar se a fonte é boa ou ruim? No sentido de ser bem ou mal regulada e tal.

Desde já, muito grato.

Obs.: Para quem quiser saber o projeto começa na página 153 da 21ª edição do livro "Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos" do Cipelli.

12 de março de 2017

Uma hora vai ter alguém para responder você mais corretamente... mas eu estou estranhando aqui que você só colocou um zener para controlar tensão e o resto é transistor... sem nenhum regulador como lm317 ou outro da vida para manter a tensão.

Se você olhar o circuito interno desses reguladores tipo lm você vai ver uma porrada de transistor e resistência para ter uma controle melhor e ter uma tensão fixa de saída e mais alguns zeners... esse teu projeto só baseado em transistor acredito que está muito simples visualmente e com pouco controle...

João Vitor Maia · 12 de março de 2017

6 horas atrás, Bommu Perneta disse:

Uma hora vai ter alguém para responder você mais corretamente... mas eu estou estranhando aqui que você só colocou um zener para controlar tensão e o resto é transistor... sem nenhum regulador como lm317 ou outro da vida para manter a tensão.

Se você olhar o circuito interno desses reguladores tipo lm você vai ver uma porrada de transistor e resistência para ter uma controle melhor e ter uma tensão fixa de saída e mais alguns zeners... esse teu projeto só baseado em transistor acredito que está muito simples visualmente e com pouco controle...

Sim, é simples, mas é essa a intenção. Sei que ele não vai ter uma ótima regulagem, mas segundo o livro o qual peguei como base ele deveria atender as especificações que adotei de corrente. Ele segura a tensão muito bem para cargas menores ou resistências acima de 60 ohms mais ou menos. O problema é aumentar mais que isso...

O projeto é simples mesmo. É o primeiro do curso e tenho menos de duas semanas pra concluir, portanto a ideia é ser simples, se eu pudesse aprimorar sem complicar muito seria ótimo. Por isso queria ver as sugestões da galera aqui...

MOR_AL · 12 de março de 2017

Bom.

Com relação a sua fonte:

1 - A regulação é função da tensão de referência, que no seu caso é um zener. Não sei a tensão dele, mas certamente é inferior a 4,3V, já que é necessário para 5V de saída.

2 - A tensão no zener é função basicamente de dois fatores. A corrente que passa por ele e a temperatura que sua junção está submetida.

2.1 - Se a tensão retificada variar muito, algo como 15%, então a corrente no zener vai variar um pouco mais, alterando a tensão de referência da fonte, consequentemente, a tensão de saída.

2.2 - Se o trafo não suprir a corrente necessária para a fonte, com pequena alteração da tensão, a tensão retificada vai variar mais e você recai no item 2.1. Os trafos comerciais vendidos geralmente fornecem bem menos corrente que o valor em sua embalagem. Trafos melhores são encontrados em sucatas de amplificadores comerciais, ou TEM que mandar enrolar. Neste último caso, o preço é maioe e TEM que encontrar um bom profissional, que saiba projetá-lo.

2.3 - Existem zener e zeners. A regulação da tensão sobre ele é função da tensão de zener. Normalmente, a menor variação da tensão de zener com a temperatura ocorre em zeners com a tensão de 5,6V. Mas esta tensão não te serve, já que a menor tensão da saída seria 5,6 +0,7 = 6,3V.

2.4 - Uma melhoria, que estabilizaria a tensão de zener seria alimentá-lo com uma fonte de corrente constante, mas aí são outros 500.

2.5 - Parte da corrente no zener também é fornecida pelo emissor de Q2. Este transistor não é para pequenos sinais. Estes fornecem menos corrente para o zener, além de possuir maior ganho, o que melhora a regulação. O ideal seria colocar um transistor para pequenos sinais no lugar de Q4 e colocar 2 transistores (formando a configuração Darlingtom) no lugar de Q1.

3 - Com R6 = 1 ohm, a corrente na fonte é limitada em aprox. 0,7A, MAS, a limitação inicia com corrente menor, algo como 0,6A.

Fiz um tutorial sobre transistores, que mostra o projeto de uma fonte dessas, mas é mais para mostrar com usar os transistores, que para uso prático. O mesmo intuito que a fonte do seu livro.

O tutorial, junto com outro, ficava na página inicial, a que gera os tópicos de eletrônica, mas depois de um tempo foi retirado.

Pesquise aqui no fórum, que você acabe achando.

Um deles é...

Outro é ...

MOR_AL

João Vitor Maia · 12 de março de 2017

MOR_AL, muito obrigado por responder! Vou olhar seus tutoriais.

Mas esses problemas que descrevi deram ainda na simulação pelo MultiSim 14, ainda é possível que seja variação no zener ou algo assim?

Abraços

MOR_AL · 13 de março de 2017

9 horas atrás, João Vitor Maia disse:

MOR_AL, muito obrigado por responder! Vou olhar seus tutoriais.

Mas esses problemas que descrevi deram ainda na simulação pelo MultiSim 14, ainda é possível que seja variação no zener ou algo assim?

Abraços

Sim.

Outra grande fonte de variação da tensão é a junção base emissor de Q2. Observe que a tensão de referência, que vai ao divisor resistivo é a tensão do zener somada à tensão Vbe de Q4. Essa junção produz mais variação de tensão que a do zener.

V0 = (Vzener + VbeQ4)* (R3 + R4 + R5) / (parte de R4 + R5)

MOR_AL

João Vitor Maia · 13 de março de 2017

23 minutos atrás, MOR disse:

Sim.

Outra grande fonte de variação da tensão é a junção base emissor de Q2. Observe que a tensão de referência, que vai ao divisor resistivo é a tensão do zener somada à tensão Vbe de Q4. Essa junção produz mais variação de tensão que a do zener.

V0 = (Vzener + VbeQ4)* (R3 + R4 + R5) / (parte de R4 + R5)

MOR_AL

Acho que quando você diz Q4 é Q2 né?rs Enfim, se for, a tensão Vbe dele varia intencionalmente! Uma vez que, se a tensão na carga tender a aumentar por qualquer motivo que seja o divisor de tensão capta uma amostra da tensão de sáida e sendo Ve constante pois é igual a Vz resta a Vb aumentar, aumentando assim a corrente na base de Q2 e consequentemente fazendo com que Vce1 aumente por sua vez estabilizando novamente a tensão na carga.

Outra coisa, eu comecei a ler o tutorial de transistor de pequeno sinal e ele tem um exemplo resolvido praticamente igual minha fonte. Mas o método que ele utiliza pra calcular não procede, pois ele considera as correntes na bases de Q1 e Q2 muito pequenas e irrelevantes, mas na simulação e nas contas ela faz bastante diferença...

Edit: fiz usando essa fórmula que me deu e deu o mesmo valor da apostila.

Mais uma vez, grato!!

.if · 13 de março de 2017

Na entrada não regulada vai ter um ripple claro. Este ripple vai ser parcialmente transferido pro zener e amplificado pelo amplificador de erro podendo aparecer na saída.

Sinta abaixo a presença de um capacitor num circuito que se aproxima do teu

O que tende a deixar tudo mais liso. Sugiro também um capacitor em paralelo com 680 ohms

MOR_AL · 13 de março de 2017

13 horas atrás, João Vitor Maia disse:

Acho que quando você diz Q4 é Q2 né?rs

Sim. Falha minha!

Enfim, se for, a tensão Vbe dele varia intencionalmente! Uma vez que, se a tensão na carga tender a aumentar por qualquer motivo que seja o divisor de tensão capta uma amostra da tensão de sáida e sendo Ve constante pois é igual a Vz resta a Vb aumentar, aumentando assim a corrente na base de Q2 e consequentemente fazendo com que Vce1 aumente por sua vez estabilizando novamente a tensão na carga.

Sim. Isso se houver a tal variação na carga.

Eu me refiro ao fato de que se tudo estiver invariável no tempo, com exceção da temperatura. Aí apenas a tensão de referência (Vzener + VbeQ2) vai variar. Isso produz uma variação da tensão de saída, sem que nada mais varie. Este é o ponto no qual me refiro.

Outra coisa, eu comecei a ler o tutorial de transistor de pequeno sinal e ele tem um exemplo resolvido praticamente igual minha fonte. Mas o método que ele utiliza pra calcular não procede, pois ele considera as correntes na bases de Q1 e Q2 muito pequenas e irrelevantes, mas na simulação e nas contas ela faz bastante diferença...

Explique melhor para eu chegar ao ponto de discordância.

A corrente de base de Q2 foi calculada e não é irrelevante. A corrente de base de Q1 é irrelevante, porque:

1 - É muito menor que a corrente no divisor de tensão R3, Pot e R4.

2 - Q1 é um transistor para propósito geral, com IcQ1 Máx igual a cerca de 18mA. O Hfe dele é superior a 100. Para os transistores BC546 ao BC550, o Hfe varia de 100 a 750 para a corrente de 20mA. Isso dá uma corrente de base entre 24uA e 180uA. Se compararmos estes valores com a corrente no divisor resistivo de 10,3mA (429 a 57 vezes maior), pode-se desprezar a corrente de base de Q1. E ainda á outro fator a considerar.

3 - A presença do potenciômetro pressupõe que a tensão de saída seja ajustável. Sendo assim, pequenos ajustes na tensão de V0 podem ser efetivados pelo potenciômetro, compensando irrelevantes correntes de base de Q1.

4 - Você pode sofisticar o circuito equivalente do transistor o quanto desejar. Poderia considerar a corrente de fuga entre coletor e base. As capacitâncias, juntamente com os outros componentes, referidas no modelo híbrido PI. Daria muito, mas muito mais trabalho. Mas o que importa é a finalidade do circuito. E a finalidade deste circuito é básica, é o início dos estudos de eletrônica analógica. Como você trataria o fato da tremenda variação do Hfe de Q1 em seu circuito. Este é um dos fatores que nos leva a aproximar o suficiente para resolver o problema. Nenhum circuito fornece resultados práticos idênticos ao calculado. O intuito do projetista é usar o modelo do transistor e a matemática mínima para chegar aos valores do circuito. Com o advento dos amplificadores operacionais houve uma maior consistência entre os valores calculados e os medidos. Mesmo nestes casos deve-se ter o bom senso e considerar, que o amplificador operacional não é ideal.

Meu tutorial pode haver erros de conta, mas não acredito que haja nenhum erro conceitual. Minhas aproximações possuem o fundamento baseados em excelente professor de eletrônica e 40 anos de experiência.

Edit: fiz usando essa fórmula que me deu e deu o mesmo valor da apostila.

Mais uma vez, grato!!

MOR_AL

João Vitor Maia · 13 de março de 2017

@Isadora Ferraz muito obrigado! Vou testar.

Edit: Infelizmente não alterou muita coisa os capacitores.

adicionado 9 minutos depois

@MOR entendi! Obrigado pela dica da variação de temperatura! Dissipadores ajudariam a atenuar o problema?

O tutorial não está errado, não quis dizer isso... Longe disso!! Eu quis dizer que as aproximações para facilitar os cálculos não funciona pro meu circuito... Não sei porquê.

Enfim, sobre Q1 a corrente no coletor dele sera quase 1 A, pois ele é o transistor de passagem e toda corrente da carga passará por ele. O problema maior esta na análise da base de Q2, pois a corrente na base dele não da pra ser desconsiderada e também não consegui uma forma de obtê-la.

O modelo híbrido PI a que você se refere é sobre filtros? PI indutivo e etc?

Muito grato!

MOR_AL · 13 de março de 2017

2 horas atrás, João Vitor Maia disse:

@Isadora Ferraz muito obrigado! Vou testar.

Edit: Infelizmente não alterou muita coisa os capacitores.

adicionado 9 minutos depois

@MOR entendi! Obrigado pela dica da variação de temperatura! Dissipadores ajudariam a atenuar o problema?

Dissipadores são mais usados para manter a temperatura da junção dentro dos limites. Claro que ajuda, mas o foco dos dissipadores é este.

O tutorial não está errado, não quis dizer isso... Longe disso!! Eu quis dizer que as aproximações para facilitar os cálculos não funciona pro meu circuito... Não sei porquê.

Eu sei porquê.

Porque seu transistor Q2 não é para baixa potência. O Hfe é menor e as correntes de base passam a importar.

Enfim, sobre Q1 a corrente no coletor dele sera quase 1 A, pois ele é o transistor de passagem e toda corrente da carga passará por ele. O problema maior esta na análise da base de Q2, pois a corrente na base dele não da pra ser desconsiderada e também não consegui uma forma de obtê-la.

Já dei a dica na postagem anterior. A corrente IcQ2 é máxima quando a tensão da retificação é máxima e a resistência de carga é infinita. Despreze a corrente no divisor resistivo, pois é bem menor que a corrente máxima na carga. A corrente IbQ2 é IcQ2 / Hfe.

Use um darlingtom no lugar de Q1. Assim a corrente de Q2 diminui e com ela a corrente de base. Isso permite usar um transistor de baixa potência em Q2, que tem maior Hfe e a corrente de base passa a ser bem menor que a do divisor resistivo.

Aliás, costuma-se calcular a corrente de base de Q2 e fazer passar uma corrente 10 vezes maior pelo divisor resistivo. Assim sempre se considera a corrente de base muito menor que a do divisor resistivo, ou insignificante.

O modelo híbrido PI a que você se refere é sobre filtros? PI indutivo e etc?

Muito grato!

O modelo híbrido PI é usado em frequências mais altas, nesse caso as capacitâncias internas do transistor (Cb'e e Cb'c) não podem ser desprezadas. O efeito Miller multiplica Cb'c pelo ganho do circuito e coloca este capacitor em paralelo com Cb'e.

Bom.

Daqui para frente é contigo, tá.

Em tempo. Agora é que percebi que seu nome é o mesmo de quem me enviou o email sobre transistores. As respostas estão aí.

Bons projetos.

MOR_AL

João Vitor Maia · 13 de março de 2017

@MOR Eu já tentei simular com darlington e ainda assim havia queda de tensão. Mas enfim, vou testar na prática agora e ver quais os problemas que vou ter na realidade.

Sobre o email, não sabia que era seu. rs Desculpe o incômodo, mas o foi o email que encontrei no pdf de transistores de pequenos sinais. Se puder disponibilizar a continuação, eu agradeço. Se não me engano a continuação trata de circuitos especiais com transistores...

Muito obrigado pela ajuda!!

MOR_AL · 14 de março de 2017

19 horas atrás, João Vitor Maia disse:

@MOR Eu já tentei simular com darlington e ainda assim havia queda de tensão. Mas enfim, vou testar na prática agora e ver quais os problemas que vou ter na realidade.

Sobre o email, não sabia que era seu. rs Desculpe o incômodo, mas o foi o email que encontrei no pdf de transistores de pequenos sinais. Se puder disponibilizar a continuação, eu agradeço. Se não me engano a continuação trata de circuitos especiais com transistores...

Muito obrigado pela ajuda!!

Te respondi o email.

Não continuei o tutorial porque não houve interesse suficiente, para compensar o trabalho que dá para fazer.

MOR_AL

Sérgio Lembo · 15 de março de 2017

Um operacional substituindo aquele transistor de controle seria tudo de bom. Tem aquela questão da seleção correta dos transistores apontada pelo MOR. Já que não quer colocar um CI, porque não não coloca mais um transistor e faz um amplificador diferencial? Nem vai precisar de um 3º transistor para fazer fonte de corrente. Vai de resistencia mesmo. O ganho do circuito vai aumentar consideravelmente. Sobre a ideia de se colocar umcapacitor na realimentação, sou contra. Vai atrasar a resposta do circuito com risco de ficar oscilante.

Boa sorte

adicionado 6 minutos depois

Se prestar um pouco de atenção, o circuito é a base do amplificador operacional, mas é o que tem de melhor e mais fácil em termos de regulação.

João Vitor Maia · 15 de março de 2017

@MOR Não achei um jeito de poder substituir Q2 por um transistor de pequenos sinais. A potência máxima dissipada por estes não atende aos requisitos necessários. Ironicamente quem ta "ditando" a corrente que passa pela base de Q2 é a corrente que sai de R1 (o que é contra intuitivo, já que devia ser a corrente da base que "dita" a corrente de coletor não?).

@Sérgio Lembo Ainda não manjo muito de amplificadores. Mas gostei da ideia, se der tempo, tentarei implementá-la antes da data de entrega do projeto. Muito obrigado mesmo!!

.if · 15 de março de 2017

Permita-me registrar que a ideia do amigo @Sérgio Lembo é excelente . Uma corrente baixa no zener tende a deixá-lo mais estável provocando menor variação por temperatura. Muito 10 a ideia do amp.dif. e excelente ganho de conhecimento pro amigo @João Vitor Maia

Sobre o capacitor + seu circuito com amp. dif. pode até ser que tenda a oscilar temporariamente. Só testando. Mas no "original" a chance de ocorrer tende a zero. A não ser que coloque um capacitor de muita muita capacitância.

Pra constar, são conjecturas intuitivas mescladas com alguma prática. Se o autor testar e quiser publicar o resultado, todos sairemos ganhando....

MOR_AL · 15 de março de 2017

Faz a fonte com esse circuito. Os cálculos são contigo. No tutorial tem tudo para tal.

MOR_AL

João Vitor Maia · 15 de março de 2017

4 horas atrás, MOR disse:

Faz a fonte com esse circuito. Os cálculos são contigo. No tutorial tem tudo para tal.

MOR_AL

Opa, brigadão! Vou testar tudo isso que vocês tão falando aqui! Não sei se logo, por conta da correria da faculdade, mas logo posto os resultados das tentativas aqui! Muito obrigado galera, vocês são demais! @MOR @Sérgio Lembo @Isadora Ferraz