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Nov 26, 2023

O que é um regulador de tensão de comutação?

Gerar tensões estáveis ​​capazes de conduzir quantidades significativas de corrente é uma das tarefas fundamentais do projeto eletrônico. Um modelo básico para um circuito eletrônico de baixa tensão é algo

Gerar tensões estáveis ​​capazes de conduzir quantidades significativas de corrente é uma das tarefas fundamentais do projeto eletrônico. Um modelo básico para um circuito eletrônico de baixa tensão é mais ou menos assim:

Existem várias maneiras de fazer isso. Quando comecei a projetar circuitos, usei reguladores de tensão lineares – como o venerável 7805 – sempre que possível. Hoje em dia, porém, é impossível negar que os reguladores de comutação são muitas vezes o método superior e, na minha experiência, geralmente são o método superior.

Neste artigo, discutiremos a nomenclatura e, em seguida, exploraremos os princípios básicos da regulamentação de comutação.

“Regulador de comutação (tensão)” é talvez o termo mais comum e reconhecível para denotar esta classe de circuito. No entanto, você também verá várias combinações dos seguintes termos:

Na verdade, prefiro “regulador de modo de comutação” ou “fonte de alimentação de modo de comutação”, porque o “modo de comutação” transmite com mais sucesso a natureza desses circuitos: comutação é o modo pelo qual eles realizam sua tarefa de regular ou converter tensão.

Todos esses termos sofrem de ambiguidade que raramente causa problemas, mas mesmo assim vale a pena notar: “regulador de comutação” ou “fonte de alimentação comutada” poderia, em teoria, referir-se a um circuito que gera um barramento de energia usando interruptores em conjunto com um indutor ou um capacitor.

Na prática, porém, os termos mencionados acima são reservados para comutadores baseados em indutores. A Figura 1 é um exemplo de um regulador de modo de comutação baseado em indutor. A grande maioria das fontes de alimentação comutadas são baseadas em indutores. Esses serão o foco principal deste artigo.

Os comutadores baseados em capacitores, como o circuito de exemplo da Figura 2, são normalmente chamados de fontes de alimentação de “bomba de carga” ou fontes de alimentação de “capacitores comutados”. As Figuras 1 e 2 são exemplos de circuitos que produzem uma tensão de saída superior à tensão de entrada.

Vamos agora pensar em um regulador linear, conforme ilustrado na Figura 3. Os reguladores lineares só podem reduzir a tensão, portanto sabemos que a tensão de entrada é maior que a tensão de saída.

Um regulador linear requer uma pequena quantidade de corrente para funcionar; isso é chamado de corrente de terra. A corrente de terra costuma ser insignificantemente pequena, então vamos ignorá-la e assumir que a corrente que flui para dentro do regulador é igual à corrente que sai do regulador e entra no circuito de carga energizado.

Agora vamos pensar em poder. Calculamos a energia elétrica como tensão vezes corrente e, como a saída tem corrente igual, mas tensão mais baixa em relação à entrada, a energia deve ser perdida em algum lugar. Você também pode imaginar que o regulador linear é um elemento resistivo simples com queda de tensão:

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

Neste caso, a dissipação de potência do regulador linear, PREG é:

$$P_{REG} = V_{DROP} \cdot I_{LOAD}$$

Um dos componentes de um regulador linear é, na verdade, uma chave – não uma chave eletromecânica, mas um transistor que é capaz de funcionar como uma chave puramente elétrica. No entanto, não chamamos um regulador linear de regulador de comutação porque o interruptor não liga e desliga; em vez disso, a chave está operando em um estado intermediário no qual possui uma resistência significativa, e essa resistência dissipa energia e permite uma redução na tensão.

A regulação linear é simples e altamente eficaz, mas é ineficiente. A chave está operando em um estado resistivo intermediário e dissipa potencialmente grandes quantidades de energia na forma de calor. A menos que você queira que seu regulador funcione como regulador e aquecedor elétrico, essa energia está sendo desperdiçada.

Isso nos leva ao conceito de regulador de modo comutado. Se conseguirmos manter o interruptor totalmente ligado ou desligado – por outras palavras, se pudermos evitar aquela região intermédia de elevada dissipação de potência – poderemos criar um regulador muito mais eficiente. Mas a nossa discussão sobre o regulador linear sugere que a energia desperdiçada é necessária para reduzir a tensão. O que fazer?