Um regulador de tensão é um dispositivo, geralmente formado por semicondutores, tais como diodos e circuitos integrados, que tem por finalidade a manutenção da tensão de saída de um circuito elétrico. Sua função principal é manter a tensão produzida pelo gerador dentro dos limites exigidos pela bateria ou sistema elétrico que está alimentando. Um regulador de tensão é incapaz de gerar energia. A tensão de entrada deve ser sempre superior à sua tensão de regulagem nominal. Dependendo do projeto, ele pode ser usado para regular uma ou mais tensões AC ou DC.
Reguladores de tensão são encontrados em dispositivos como fontes de alimentação variadas, em alternadores automotivos e centrais de usinas elétricas, nesse último caso o regulador de tensão é utilizado para distribuir uma tensão constante para todos os clientes.
Regulador de Tensão por meio de Circuitos Integrados (CI)
miniaturadaimagem|322x322px|Reguladores de tensão CIs da série 78XX O regulador de tensão mantém a tensão de saída constante mesmo havendo mudanças na tensão de entrada ou na corrente de saída. O regulador de tensão pode ser projetado com componentes discretos ou podem ser adquiridos na forma de circuitos integrados (CI), estes por sua vez são mais precisos e ocupam menor espaço por serem mais compactos.
Há vários tipos de reguladores de tensão no mercado atualmente, entre eles pode-se citar os circuitos integrados (CIs) da série 78XX que são utilizados para tensões positiva e os da série 79XX que são utilizados para tensões negativas.
Pode-se notar na tabela a seguir as principais características dos reguladores da série 78XX e 79XX: REGULADORES DE TENSÃO 78XX - 79XXCódigoTensão máxima a aplicar na entrada (E)Tensão de saída (S) reguladaCorrente máxima na saídaPositivoNegativo7805790535V5V1A7806790635V6V1A7809790935V9V1A7810791035V10V1A7812791235V12V1A7815791535V15V1A7818791835V18V1A7824792440V24V1A miniaturadaimagem|325x325px|Regulador eletromecânico antigo
Reguladores Eletromecânicos Nos reguladores eletromecânicos, a mudança alternada da corrente é feita pela abertura e o fechamento de um contato móvel, pressionado contra um contato fixo pela atuação de uma mola. Assim que a tensão nominal (tensão elétrica a que um determinado aparelho deve ser ligado para operar corretamente) for ultrapassada, um eletroímã, motivado pela tensão do alternador e agindo contra a força da mola, abre os contatos móveis. Um resistor é ligado ao circuito da corrente de excitação, resultando na diminuição da mesma e assim causando uma queda de tensão no alternador. Quando a tensão do alternador diminuir além da tensão nominal, a força da mola sobrepõe a força do eletroímã e faz com que os contatos se fechem novamente. Resumindo quando a tensão for inferior a tensão nominal ela não será suficiente para energizar a bobina do regulador, isso fará com que os contatos móveis permaneçam fechados, originando uma alta corrente de excitação, quando a tensão ultrapassar a tensão nominal a bobina do regulador será energizada, criando um forte campo magnético e abrindo os contatos móveis do regulador e a corrente será obrigada a passar pelo resistor diminuindo assim sua intensidade. O regulador de tensão eletromecânico é utilizado desde a década de 40. Esse método tradicional de regulação pode ser caracterizado pela sua dinâmica lenta de compensação, fato que o torna impróprio para a compensação de Variação de Tensão de Curta Duração, VTCD. Projetos modernos utilizam transistores para executar a mesma função que os relés têm nos reguladores eletromecânicos de tensão.
Regulador Automático de Tensão O regulador de tensão eletrônico não possui contatos móveis, o que minimiza o seu desgaste. A tensão é regulada eletronicamente. Para esse fim servem os diodos, transistores, resistores e capacitores instalados numa placa de circuito impresso. Com a utilização dos componentes eletrônicos, o regulador de tensão passou a possuir um tamanho bem inferior ao regulador eletromecânico. Basicamente o funcionamento do regulador automático de tensão se resume a quando a tensão for inferior a um valor estipulado, a saída de corrente de excitação será energizada e quando a tensão for maior que o valor estipulado a saída de corrente de excitação será desenergizada. Comparado aos reguladores eletromecânicos os reguladores automáticos de tensão possuem algumas vantagens como por exemplo menor número de componentes, dificuldade na desregulagem, suportar diferentes tipos de condições como vibrações, impactos e temperaturas elevadas, ser compacto podendo ser acoplado ao alternador e maior durabilidade.
Uma das técnicas utilizadas para controlar a tensão eletronicamente é chamada PWM(Pulse Width Modulation) e ela é empregada em diversas áreas da eletrônica pois, por meio de uma onda quadrada, é possível o controle da potência em uma carga. Imagine uma chave simples liga e desliga, quando ligada 100% da tensão e da potência é aplicada a carga, já quando a chave esta aberta a tensão é nula e assim a potência é 0. Quando controlamos o tempo que a chave fica ligada e consequentemente o tempo dela desligada podemos controlar a potência média entregue a carga, por exemplo: a chave fica ligada 50% ligada e 50% desligada, isso quer dizer que em média temos 50% do tempo com corrente e 50% sem. Portanto a potência média aplicada na carga é a própria tensão média, ou seja, 50%, portanto quanto maior o tempo que o pulso se manter em nível lógico alto, ou seja, ligado maior a potencia entregue a carga, quanto menor o tempo em nível lógico alto menor a entrega de potencia(Disponível em:<http://www.mecaweb.com.br/eletronica/content/e_pwm>. Acesso em: 26 de abril, 2017.
Tensão de Saída
É a tensão, ou faixa de tensões, que um regulador fornece em sua saída se a tensão de entrada estiver dentro dos parâmetros aceitáveis. Os reguladores de tensão lineares possuem uma tensão da saída nominal fixa, com uma margem de variação inferior a 5%.Os reguladores com tensão fixa são mais baratos e apresentam uma aplicação maior.r. A serie 78xx e 79xx são os mais comuns destes tipos onde as letras “xx” devem ser preenchidas com a tensão fixa da saída onde as mais comuns são: 5V, 9V, 12V, 15V e 24V. O CI da linha 78xx é para saídas positivas e o CI da linha 79xx é para saída negativa! O CI regulador para fontes de 5V é muito usado em fontes para alimentação de micro-controladores e microprocessadores, já os CI’s 7815 e 7915 ou 7812 e 7912 são muito usados em fontes de alimentação para amplificadores operacionais que necessitam de uma fonte simétrica. O CI 7824 é muito usado em fontes de alimentação para o circuito de controle usando CLP na indústria.(Disponível em:<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAeoo4AA/regulador-tensao-com-ci>. Acesso em: 27 de abril,2017.
Uso Comercial Reguladores de tensão são usados para compensar flutuações de voltagem na rede elétrica grandes reguladores são instalados permanentemente em linhas de distribuição. Já pequenos reguladores são conectados em equipamentos sensíveis. Reguladores automáticos são usados em geradores de navios, fontes de alimentação de emergência, etc.
Os reguladores de tensão são usados em dispositivos como condicionadores de ar, refrigeradores, televisões, etc. a fim de protegê-los da tensão de entrada flutuando. O principal problema enfrentado é o uso de relés em reguladores de tensão, pois estes criam faíscas que resultam em falhas no produto.
Estabilizadores de Tensão Estabilizadores são equipamentos eletrônicos que são usados para corrigir a tensão da rede elétrica e fornecer uma tensão de alimentação segura e estável, protegendo assim os equipamentos contra problemas da rede elétrica.
A principal função dos estabilizadores e aproximar a tensão de saída que alimenta os aparelhos a ele ligado a ideal, compensado as oscilações da rede elétrica fornecendo um valor estável.
A grande maioria dos estabilizadores utilizam filtros para suprir os ruídos e picos de tensão da rede.
Reguladores Ativos de Tensão Os reguladores ativos empregam pelo menos um componente ativo tal como um transistor ou amplificador operacional. Reguladores de derivação são muitas vezes passivos e simples, mas sempre ineficazes porque eles despejam o excesso de corrente não a carga. Quando mais potência deve ser fornecida, circuitos mais sofisticados são usados.
Alguns exemplos de reguladores ativos de tensão são:
Regulador Linear Um regulador linear é um regulador de tensão baseado em um dispositivo ativo (tal como um transistor de junção bipolar) que opera em sua região linear (em contraste, uma fonte chaveada é baseada num transistor forçado a agir como um alternador de liga/desliga) ou em dispositivos passivos como em diodos zener operados em suas regiões de ruptura reversa (breakdown region).
Para saber mais visite a pagina exclusiva sobre regulador linear.
Faixa de tensões de entrada. Deve-se considerar a tensão mínima de entrada (Input Voltage (Min)) e tensão máxima de entrada (Input Voltage (Max)).
Tipicamente a tensão mínima de entrada deve ser 1,2 Volts superior à tensão de saída, e a tensão máxima de entrada depende de características de cada tipo de regulador. O Regulador de Tensão 7812, com saída estabilizada em 12 Volts, tem sua tensão mínima de entrada estabelecida em 14,5 Volts e tensão máxima de entrada de 30 Volts.
Corrente Elétrica máxima. Como ocorre em qualquer circuito elétrico, os reguladores de tensão tem limites de corrente elétrica que podem circular em suas junções. Os reguladores de tensão da família 78XX operam com corrente máxima de 1 Ampére. Já os reguladores de tensão automotivos são desenhados para correntes da ordem de dezenas de ampéres.
Potência máxima O projeto de um regulador de tensão prevê sua potência máxima através da fórmula de cálculo da Potência Elétrica:
Onde:
P: Potência Elétrica, em Watts
Uin: Tensão de entrada no regulador
Uout: Tensão de saída do regulador
Ic: Corrente elétrica na carga alimentada.
Exemplos de Reguladores Lineares
Regulador de transistor miniaturadaimagem|313x313px No caso mais simples é utilizada a polarização coletor comum, também conhecido como seguidor de emissor. Esta configuração é usada com a base do transistor regulador conectado diretamente ao referencial de voltagem
A tensão de saída do estabilizador é igual à tensão do diodo Zener menos a tensão emissor base do transistor (UZ - UBE), onde UBE é geralmente cerca de 0,7 V para um transistor de silício, dependendo da carga da corrente. Se a voltagem da saída cair por qualquer razão externa, a tensao emissor base do transistor (UBE) aumenta,
Rv fornece uma corrente de polarização tanto para o diodo Zener como para o transistor. A corrente no diodo é mínima quando a corrente de carga é máxima. O projetista do circuito deve escolher uma tensão mínima que possa ser tolerada por Rv, tendo em mente que quanto maior for essa exigência de tensão, maior a tensão de entrada necessária, e, portanto, menor a eficiência do regulador. Por outro lado, valores menores de Rv levam a uma maior dissipação de energia no diodo.
Rv é dado por:
Onde VR min é a tensão mínima a ser mantida através de Rv
ID min é a corrente mínima a ser mantida através do diodo Zener
IL max é a corrente máxima de carga de projeto
IL max é o ganho de corrente direta do transistor (IC / IB)
Regulador de amplificador operacional miniaturadaimagem|300x300px A estabilidade da voltagem de saída pode ser significativamente aumentada usando um amp/op
Neste caso, o amp/op aciona o transistor com mais corrente se a tensão na entrada inversora cair abaixo da tensão de saída referente a entrada não inversora. A utilização do divisor de tensão (R1, R2 e R3) permite a escolha da tensão de saída arbitrária entre Uz e U(in).
Reguladores de Comutação