Reguladores

Reguladores de tensão lineares

Os reguladores de tensão lineares são componentes que recebem uma tensão de entrada e entregam uma tensão de saída constante, escolhendo a resistência interna de acordo com a tensão de saída requerida.

O princípio de funcionamento dos reguladores de tensão lineares se baseia na comparação da tensão de entrada com uma referência interna de tensão. Essa comparação é realizada por um circuito amplificador operacional, que ajusta a corrente através de um elemento de série, geralmente um transistor, para manter a tensão de saída constante, independentemente das variações na tensão de entrada ou na carga conectada. Há dois tipos principais, reguladores de tensão fixos e reguladores de tensão ajustável. Segue o esquemático exemplo dos dois:

Há alguns fatores que devem ser analisados para a escolha do regulador; a tensão de dropout, diferença de tensão mínima para o funcionamento correto; rejeição de ripple, suprime variações no sinal de entrada; resposta transiente, velocidade de ajuste da saída de acordo com variações da entrada; em série ou shunt, desvia excesso de corrente. Caso seja do tipo shunt, há outros fatores para serem analisados: simples, utiliza um transistor para o controle do excesso da corrente, com feedback, utiliza um amplificador operacional para controle da saída, ou com proteção contra curto circuito, utiliza um limitador de corrente.

Reguladores lineares podem ser relativamente simples de implementar, porém, é importante lembrar que componentes periféricos podem ser necessários para proteção do circuito utilizado e, caso a dissipação de calor não seja levada em consideração no roteamento pode ocorrer problemas de superaquecimento, atrapalhando o seu funcionamento.

Há algumas classificações para aplicações, sendo elas; low-dropout, tensão de dropout é pequena, seu principal uso é para circuitos sensíveis a ruídos, visto que a sua rejeição de ripple é superior, fornecendo uma saída mais estável; ultra-low noise, semelhante ao low-dropout mas, com as características mais ressaltadas; e de alta corrente, projetados para trabalhar com picos altos de corrente sem perder a estabilidade do sinal de saída.

O dimensionamento do regulador é feito com base nos parâmetros : tensão de entrada, tensão de saída, corrente máxima, nível de ruído de saída e encapsulamento. Após a definição desses parâmetros deve ser feita uma pesquisa entre os datasheets para identificar componentes que se encaixem nos requisitos. Os datasheets fornecem todas as informações necessárias, sendo elas, parâmetros elétricos, precauções e necessidades de uso, exemplos de circuitos para aplicações e gráficos de temperatura, corrente e tensão. Após a seleção dos componentes que cumprem os requisitos definidos, é preciso analisar se a potência dissipada (𝑃𝑜𝑡 = (𝑉 não é significativa, caso seja, 𝑖𝑛 − 𝑉 𝑜𝑢𝑡 ) × 𝐼) implementações visando dissipação térmica serão necessárias; além disso, é preciso analisar de acordo com a aplicação se um circuito de proteção será necessário.

Reguladores de tensão chaveados

Buck

O regulador chaveado de topologia buck trabalha diminuindo a tensão de entrada. Ele alcança isso ligando e desligando uma chave, tipicamente um fet, em altas velocidades e então filtrando essa saída.

Um circuito de regulador buck possui os seguintes elementos:

• Uma chave: pode ser um mosfet ou interna ao CI de regulador

• Um diodo: normalmente um diodo schottky, este também é muitas vezes interno ao CI.

• Um indutor: Raramente interno ao CI. Ele faz parte do circuito de filtragem da saída para diminuir o ripple e manter a tensão estável. É válido notar que o valor da indutância dele será menor conforme a frequência de chaveamento aumentar.

• Dois capacitores: um de entrada e outro de saída. Ainda mais raros que o indutor de se encontrar no CI. O propósito deles é o mesmo que o do indutor, diminuir o ripple de saída. A sua capacitância também deverá ser menor conforme o valor da frequência aumentar.

É possível observar também que haverão alguns estados no circuito:

• Chave ligada: quando a chave (o fet) estiver ligada, ou seja, permitindo a passagem de corrente, o circuito usará a energia do capacitor para alimentar a parte do circuito com o indutor e o capacitor de saída, os carregando.

• Chave desligada: quando a chave estiver desligada, ou seja, a passagem de corrente estiver sendo impedida, o capacitor de entrada será carregado e o indutor e o capacitor fornecerão energia para a carga na saída. É importante notar também que durante esse estado o diodo serve como diodo de flyback para o indutor, que quando tivesse a sua corrente interrompida pela chave, teria um pico de tensão se não fosse o diodo.

Algo comum de se encontrar também como um componente necessário para o funcionamento de um circuito de regulador buck é um capacitor que ajusta a frequência de chaveamento do circuito. O valor dele pode ser escolhido a partir de especificações encontradas no datasheet ou pode ser calculado a partir de fórmulas encontradas no datasheet.

No roteamento da PCB, é importante serem tomadas algumas precauções:

• É importante manter os loops do circuito pequenos; mantenha o feedback longe do indutor, pois a interferência dele é prejudicial. Para minimizar a interferência de EMI do indutor, também é útil escolher um indutor blindado.

Boost

O regulador chaveado de topologia boost trabalha aumentando a tensão de entrada Ele alcança isso ligando e desligando uma chave, tipicamente um fet, em altas velocidades, carregando e descarregando elementos reativos, e então filtrando essa saída.

O circuito terá diversos momentos durante o seu funcionamento sendo eles:

• Chave ligada: quando a chave (o fet) estiver ligada, ou seja, permitindo a passagem de corrente, o indutor terá uma grande corrente passando e o capacitor alimentará o circuito.

• Chave desligada: quando a chave desligar, ou seja, impedindo a passagem de corrente o indutor tentará manter a sua grande corrente que passava quando a chave estava ligada, assim carregando o capacitor a uma tensão maior do que se ele fosse carregado de maneira comum.

Em geral, os princípios dos reguladores buck também se aplicam ao boost.