quarta-feira, 22 de outubro de 2008

Diodo Zener - Regulador de Tensão

Introdução: O diodo Zener é um dispositivo semicondutor que tem as mesmas características que o diodo normal. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente. 
Circuito Regulador de Tensão com Carga: As aplicações do circuito regulador de tensão são, principalmente: Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada constante; Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada constante; Estabilizar uma tensão de saída fixa a partir de uma tensão de entrada com ripple; Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada com ripple.

As duas primeiras aplicações visam, principalmente, a estabilização num valor menor da tensão de uma bateria ou uma fonte de alimentação já estabilizada, as duas últimas aplicações visam, principalmente, a estabilização de fontes de alimentação com ripple.
Ainda, pela característica da última aplicação, pode-se afirmar que se trata do caso mais geral, pois tanto a tensão de entrada quanto a carga são variáveis.

Abaixo podemos ver o diagrama de uma fonte de alimentação estabilizada com carga variável:
Desta forma faz-se necessária uma análise mais detalhada do circuito regulador de tensão quando neste é ligado uma carga.
O projeto de um regulador de tensão com carga consiste, no cálculo da resistência limitadora de corrente Rs, conhecendo-se as demais variáveis do circuito, a saber: características da tensão de entrada (constante ou com ripple), características da carga (fixa ou variável), tensão de saída (valor desejado) e especificações do diodo Zener.
Em seguida temos o circuito regulador de tensão com carga:
Este circuito possui três equações fundamentais a seguir:
Equação da corrente de entrada:
Equação da tensão de saída:
Equação de regulação:
A partir destas equações, é possível projetar reguladores de tensão para as quatro aplicações citadas acima.

Exemplo 01 - Carga Fixa e Tensão de Entrada Constante:
O valor Rs deve satisfazer as condições dadas pelas especificações do diodo zener.

Como RL e Vz são constantes, tem-se um valor mínimo para Is. Portanto a corrente zener mínima Izm é dada por :
Ism = Izm + IRL 
Esta condição limita Rs a um valor máximo RSM, dado por:

VE = RSM.(Izm + IRL) + Vz ---> RSM = VE - Vz / Izm + IRL

Neste caso, tem-se um valor máximo para Is. Portanto a corrente zener máxima IZM é:

ISM = IZM + IRL

Porém, está condição limita Rs a um valor mínimo Rsm:

VE = Rsm.(IZM + IRL) + Vz ---> Rsm = VE - Vz / IZM + IRL

Assim, tem-se que Rs deve ser:

Rsm ≤ Rs ≤ RSM

Exemplo 02 - Carga Variável e Tensão de Entrada Constante:
O valor de Rs deve satisfazer as condições dadas pela variação desejada para a carga e pelas especificações do diodo zener.
Como RL é variável e Vz é constante, esta condição é mais crítica no caso em que RL assume seu valor mínimo Rlm, ou seja, quando a corrente na carga é máxima IRLM e a corrente Is é mínima. Desta forma, a corrente zener mínima é:
Ism = Izm + IRLM
Esta condição limita Rs a um máximo RSM:
VE = RSM.(Izm + IRLM) + Vz ---> RSM = VE - Vz / Izm + IRLM
Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em RL assume seu valor máximo RLM, ou seja, quando a corrente na carga é mínima e Irlm e a corrente Is é máxima. Assim a corrente zener máxima IZM é:
ISM = IZM + IRLm
Porém, esta condição limita Rs a um valor mínimo Rsm:
VE = Rsm.(IZM + IRLm) + Vz ---> Rsm = VE - Vz / IZM + IRLm
Assim, tem-se que Rs deve ser:
Rsm ≤ Rs ≤ RSM
Exemplo 03 - Carga Fixa e Tensão de Entrada com Ripple:
O valor Rs deve satisfazer as condições dadas pela variação existente na tensão de entrada (ripple) e pelas especificações do diodo zener.
Como RL e Vz são constantes, esta condição é mais crítica no caso em que VE assume seu valor mínimo VEm, ou seja, quando a corrente Is é mínima. Portanto a corrente zener mínima Izm é dada por:
Ism = Izm + IRL
Esta condição limita Rs a um valor máximo RSM, dado por:
VEm = RSM.(Izm + IRL) + Vz ---> RSM = VEm - Vz / Izm + IRL
Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que VE assume seu valor máximo VEM, ou seja, quando a corrente Is é máxima. Portanto a corrente zener máxima IZM é:
ISM = IZM + IRL
Porém, está condição limita Rs a um valor mínimo Rsm:
VEM = Rsm.(IZM + IRL) + Vz ---> Rsm = VEM - Vz / IZM + IRL
Assim, tem-se que Rs deve ser:
Rsm ≤ Rs ≤ RSM
Exemplo 04 - Carga Variável e Tensão de Entrada com Ripple:
O valor Rs deve satisfazer as condições dadas pela variação existente na tensão de entrada (ripple), pela variação desejada para a carga e pelas especificações do diodo zener.
Como RL e VE são variáveis e Vz é constante, esta condição é mais crítica no caso em que VE assume seu valor mínimo VEm e IRL seu valor máximo IRLM, ou seja, quando a corrente Is é mínima. Portanto a corrente zener mínima Izm é dada por:
Ism = Izm + IRLM
Esta condição limita Rs a um valor máximo RSM, dado por:
VEm = RSM.(Izm + IRLM) + Vz ---> RSM = VEm - Vz / Izm + IRLM
Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que VE assume seu valor máximo VEM e IRL seu valor mínimo IRLm, ou seja, quando a corrente Is é máxima. Portanto a corrente zener máxima IZM é:
ISM = IZM + IRLm
Porém, está condição limita Rs a um valor mínimo Rsm:
VEM = Rsm.(IZM + IRLm) + Vz ---> Rsm = VEM - Vz / IZM + IRLm
Assim, tem-se que Rs deve ser:
Rsm ≤ Rs ≤ RSM

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