EX 10.2 - Regulador de tensão por Zener com transistor em série

Na figura 1 apresentamos um circuito extremamente simples de uma fonte de tensão regulada por diodo zener.

Dependendo do transistor usado podemos obter correntes de até alguns ampères de saída.

Observamos que o diodo zener deve ter uma tensão de 0,6 V a mais do que a tensão desejada na saída, já que existe uma queda de tensão dessa ordem na junção base-emissor do transistor.

A potência dissipada pelo transistor, que deve ser montado num bom radiador de calor será dada pelo produto da diferença entre a tensão de entrada e saída, pela corrente drenada pela carga.

A dissipação do diodo zener é função do ganho do transistor, devendo ser determinada a corrente nesse componente e multiplicada pela sua tensão.

Aplicações típicas desta fonte estão na alimentação de pequenos dispositivos de baixas tensões (entre 3 e 12 V) que precisem de correntes até 1 A aproximadamente.

Cálculo do resistor de polarização do diodo zener com transistor em série.

O primeiro passo é determinar a corrente máxima suportada pelo zener em função da potência que ele suporta: Zener 1N5531 - 10V / 0,4 W.

• Iz max = Pz / Vz = 0,4 / 10 = 0,040 (A).

Onde Iz max é a corrente máxima suportada pelo zener, Vz é a tensão do zener fornecida pelo fabricante e Pz é a potência suportada pelo zener, também fornecida pelo fabricante.

Em seguida calculamos a corrente mínima suportada pelo zener:

• Iz min = 10% de Iz max = 0,1 x 0,040 = 0,004 (A).

No próximo passo é determinar o transistor a ser utilizado em função da corrente máxima da carga. No caso iremos trabalhar com uma carga de 25 Ω, e tensão de no máximo 9,3 V. Para esta aplicação podemos utilizar o transistor BD137. 

Cálculo da corrente de saída: Is = Ie:

• Ie max = Vs / Rl = 9,3 / 25 = 0,372 (A).

Agora iremos calcular a corrente de base do transistor BD137, que tem um ganho de corrente de 40 a 250, para o cálculo iremos adotar hfe igual a 100. Podemos admitir Ic+Ib igual a Ie. Cálculo da corrente de base Ib:

• Ib = Ic / (hfe+1) = 0,372 / 101 = 0,003683 (A) = 3,68 (mA).

Agora iremos calcular a potência do transistor. A tensão Vce será a diferença entre a tensão de entrada e saída

• P = Ic x Vce = 0,368 x 5,7 = 2,10 (W).

Para calcular o resistor de polarização do Zener e da base do transistor são utilizadas as seguintes fórmulas, admitindo uma tensão de entrada de 15V com variação de 4% carga  fixa de 25 ohms com Ib max = 0,003680 (A) . 

• Rz max = (Vs min - Vz) / (Iz min + Il max) = (14,4 - 10) / (0,00400 + 0,003683) = 4,4/0,007683 = 572,7 Ω.

• Rz min = (Vs max - Vz)/(Iz max + Il min ) = (15,6 - 10) / (0,040000 + 0,003683) = 5,6/0,043683 = 128,2 Ω.

Onde, Vsaída é a tensão da fonte, Vz é a tensão do zener, Iz max é a corrente máxima suportada pelo zener, Rz min é a resistência mínima, Iz min é a corrente mínima no zener, Rz max é a resistência máxima e finalmente Rs é a resistência do resistor utilizado em série com o zener.

Agora calculamos o valor e potência de Rs: 

• Rs = (Rz max + Rz min) / 2 = (572,7 + 128,2) / 2 = 700,9 /2 = 350,45 Ω.
• P = (Vs max - Vz) x ( Iz max + Ib max ) =  (15,6 - 10) x (0,040000 + 0,003683) = 5,6 x 0,04383 = 0,25 W.

Escolhemos o valor comercial do resistor para que trabalhe frio (Potência nominal 3 vezes maior que potencia de trabalho) irei utilizar um resistor com valor de R = 360 Ω / 1W.

O relatório da atividade prática resolvido pelo Prof. Sinésio Gomes está disponível em: 24_08_02 Zener - Regulador Zener com transistor série.

Há também um formulário com a sequência completa de fontes de alimentação com reguladores Zener disponível em: 24_09_01 Formulário Retificadores e reguladores.

O resumo do cálculo do resistor para regulador série com transistor está disponível em: 24_08_02 Cálculo de para regulador série com transistor. 

Há também calculadoras online como esta da Fox_Calculators_Electronic .

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 14/02/2024.