EX 10.3 - Regulador de tensão por Zener com transistor em paralelo

A exemplo do regulador série, o transistor atua como elemento de controle e o zener como elemento de referência. Como a carga fica em paralelo com o transistor, daí a denominação regulador paralelo, cujo circuito é mostrado na figura ao lado.

A análise do seu funcionamento segue basicamente os mesmos princípios do regulador série, no que diz respeito aos parâmetros do transistor e do diodo zener.

Funcionamento

• VZ = VCB; como VZ é constante, VCB será constante.
• VCE = VCB + VBE; mas VCB >> VBE; logo: VCE = VCB, onde VCE = VZ

Ao variar a tensão de entrada dentro de certos limites, como VZ é fixa, variará VBE variando a corrente IB e consequentemente IC. Em outras palavras, variando-se a tensão de entrada ocorrerá uma atuação na corrente de base a qual controla a corrente de coletor. Neste caso, VCE tende a permanecer constante desde que IZ não assuma valores menores que IZ (Min) e maiores que IZ (Max). Os parâmetros para o projeto de em regulador paralelo são essencialmente: VIN, VL e IL (Max).

Tensão de entrada máxima: Na pior condição: RL => infinito (sem carga) . IL = 0;

• VIN (Max) = R1 x ( IL (Max) + IC (Max)) + VZ + VBE. 
• Então: (VIN (Max) - VZ - VBE) / R1 = IZ (Max) + IC (Max) ( I ).

Tensão de entrada mínima: 

• VIN (Min) = R1 x (IZ (Min) + IC (Mim) + IL (Max)) + VZ + VBE. 
• Então: (VIN (Min) - VZ - VBE) / R1 = IZ (Min) + IC (Min) + IL (Max) ( II ).

Dividindo ( I ) e ( II ), temos:

• (IZ(Max) + IC(Max)) / (IZ(Min) + IC(Min) + IL(MAX)) = (VIN(Max) - VZ - VBE) / (VIN (Min) - VZ - VBE). 
• Isolando IZ (Max): IZ (Max) = ( VIN (Max) - VZ - VBE / VIN (Min) - VZ - VBE) x ( IZ (Min) + IC (Min) +  IL (Max) + IC (Max) ( III ).

OBS: IC (Min) é a corrente de coletor para uma tensão de entrada mínima. Em muitos projetos a mesma pode ser desprezada por não ter influência significativa no resultado final. 

Calculando agora a corrente em R2: 

• I (R2) = IZ (Mim) - IB (Mim), Onde: IB (Min) = IC (Mim) / hfe.
• Portanto: IR2 = IZ (Min) - ( IC(MIN) / hfe) ( IV )

Quando a tensão de entrada for máxima e a carga estiver aberta (pior condição), um acréscimo de corrente circulará pelo diodo zener. Como VBE é praticamente constante, essa corrente circulará pela base do transistor, daí então teremos:

• IC (Max) = hfe x IB (Max);
• IB (Max) = IZ (Max) - IR2;
• Então: IC(MAX) = hfe x (IZ (Max) - IR2) ( V )

Substituindo ( V ) em ( III ), temos:

• IZ (Max) = [( (VIN (Max) - VZ - VBE) /  ( VIN (Min) - VZ - VBE )) x  ( IZ (Min) + IC (Min) + IL (Max) - hfe x (IZ (Max) - IR2] x (1 / hfe+1 )

Para escolha do transistor, deverão ser observados os parâmetros:

• VCEO > (VZ + VBE);
•  IC (Max) > IL (Max);
• PC (Max) > (VZ + VBE) . IC (Max)

Para escolha do diodo zener, o  parâmetros são idênticos aos adotados no regulador série.

Projetar um regulador paralelo , com as seguintes características: 

• VL = 15V;
• IC (Max) = 600mA
• VIN = 22V  (±)  10%

O transistor deverá ter as seguintes características:

• VCEO > (VCE + VBE) 
• Ic (Max) > IL(Max)
• PC (Max) > (VZ + VBE) . IC(Max)

Adotaremos o transistor 2N3534, que tem as características:

• VCEO = 35V
• IC (Max) = 3A 
• PC (Max) = 35W
• hfe: mínimo = 40 e máximo = 120.

O diodo zener escolhido foi o BZXC1C15, que tem as características:

• PZ(MAX) = 1,3W
• VZ = 15V
• IZ(MAX) = 86,67 mA
• IZ(MIN) = 20 mA

Verificando se o diodo zener escolhido pode ser utilizado:

• IZ (Max) = [( ( (VIN (Max) - VZ - VBE) / VIN (Min) - VZ - VBE) x ( IZ (Min) + IC (Min) +  IL (Max)) + IC (Max)] x (1 / hfe+1 ).
•  IZ (Max) = [ (24,2 - 15 - 0,70) / (19,8 - 15 - 0,7) x ( 0,020 + 0 + 0,600 + 0,800) ] x 1/41
•  IZ (Max) = [(8,5 / 4,1) x ( 1,420)] x 0,0244
•  IZ (Max) = 2,073 x 1,42 x 0,0244 = 0,071 A 

Como IZ(Max) calculado = 71,83mA é menor que IZ do zener, este diodo escolhido é compatível.

Calculando IC(Max):

• IC(Max) = hfe . (IZ(Max) - IR2) IC(Max) = 40 . (71,83mA - 20mA) => 40 . 51,83mA = 2,073A
• IC(Max) = 2,073A (o transistor é compatível quando a IC(MAX))

Calculando PC(Max):

• PC(Max) = (VZ + VBE) . IC(Max) = 15,07 . 2,073 = 31,24W;
• PC(Max) = 31,24W

O transistor escolhido atenderá as necessidades do projeto quanto a dissipação de potência, por estar abaixo da potência máxima especificada pelo fabricante. Torna-se necessário entretanto o uso de um dissipador adequado para evitar sobreaquecimento do transistor.

Calculando R2: como VR2 = R2.IR2 => VR2 = VBE; então;

• R2 = VBE / 20mA => 0,7V/20mA => 35 Ohms;

Potência dissipada por R2:

• PR2 = VR2 x VR2 / R2 => 0,7 x 0,7 / 35 = 0,49/35 => 14mW.

Calculando R1:

• R1 (max) = (VIN(Min) - VZ - VBE)/ (IZ(Min) + IC(Min) + IL(Max) => ( 19,8V - 15V - 0,7V)/20mA+ 600mA => 4,1V/ 620mA =  6,613 Ohms.

OBS: IC(Mim) = 0

• R1 (min) = VIN(Max) - VZ - VBE / IZ(Max) + IC(Max) => 24,2V - 15V - 0,7V / 86,67mA + 2,073A => 8,5V /2,16 => 3,94 Ohms.

Logo: R1 deverá ser maior do que 3,94 Ohms e menor do que 6,61 Ohms: 3,94 < R < 6,61

• R1 adotado = 5,6 Ohms (valor comercial)

Potência dissipada por R1:

• PR1 = VR1 x VR1 / R1 => (VIN(Max) - VZ - VBE) x (VIN(Max) - VZ - VBE) / 5,6 => (24,2V - 15V - 0,7V) x  (24,2V - 15V - 0,7V) / 5,6 => 8,5Vx8,5 / 5,6 = 12,9W.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 02/03/2021