Como se faz uma fonte de alta corrente eficiente.

   Artigos pela internet e até aqui mesmo nesse site, com projetos de fonte tem aos montes. Mas e quem não tem experiências com construção de fontes de alta corrente? Onde achar material sobre isso? O que se atentar? Cuidados e precauções a tomar?

   A primeira coisa que poucos entendem sobre fonte linear é o "porque os transistores reguladores pegam fogo!" Numa fonte linear a parte da tensão que você não quer, tem que virar alguma coisa, no caso vira calor nos transistores reguladores. A conta é muito simples. Suponha que você tenha um transformador com um secundário de 24Vac @ 20A e quer uma fonte com saída de 13,8V.

   De inicio a tensão DC entregue aos transistores será maior do que os 24Vac do transformador, pois quando você retifica e filtra, a tensão aumenta. Quando você retifica e filtra uma tensão AC, o valor em AC deve ser multiplicado por 1,4142 (valor da raiz quadrada de 2) para se ter o valor DC de pico em cima do capacitor de filtro. Neste exemplo ela vai pra 33,94V.

   Para se chegar em 13,8V então você precisa "jogar fora":  20,14V pois:     33.94 - 13,8 = 20,14V

   Esses 20,14V @ 20A (se utilizar a fonte e carga máxima) correspondem a 402,8W que simplesmente vão virar calor em cima dos transistores reguladores. O que é muita coisa, muita energia pra dissipar. Logo usar uma tensão AC mais baixa tem suas vantagens, que será uma potencia menor a dissipar, menos calor no dissipador de calor. Tensão demais como pode ser ver é problema por conta do quanto precisa dissipar.

   O transformador ideal para uma fonte de 13,8V é alguma coisa entre 17 e 19Vac. Vamos refazer as contas com o valor 17V?

   17 x 1,4142 = 24,04V

   24,04 - 13,8 = 10,24V

   10,24 x 20 = 204W

   Como pode-se ver, praticamente a metade! Muito mais eficiente! Mas e ai? Posso abaixar mais a tensão AC? O ideal é que a tensão AC do transformador seja pelo menos 3V acima da tensão desejada de saída.

   Mas com se chega neste valor "mágico" de 3V? Deve-se verificar qual a tensão mínima de trabalho do ci regulador/referencia/estabilizador. Os da série LM78xx e LM317 por exemplo pedem pelo menos 3V a para obter uma regulação estável. Logo pode-se adotar como boa prática pra qualquer regulador.

   Menos que isso é arriscado que o circuito regulador não fique estável e até mesmo apareça ripple. Falarei disso mais abaixo na abordagem do capacitor de filtro.

   A tensão exata de saída nunca é igual a da referencia. Cada transistor que é inserido em cascata no regulador, vai oferecer uma queda de tensão de 0,7V por cada junção B-E ou B-C que passar. Assim no circuito de uma fonte que tem um 7812 -> TIP31 -> 2N3055 -> MJ802 haverá uma queda de 2,1V (0,7V x 3 pois são 3 transistores) logo a tensão de saída será de 12 - 2,1 = 9,9V! Então a solução para se obter 12V na saída seria uma referencia de 14,1V. Então nesta hipotética fonte seria mais adequado usar um 7815, pois 15 - 2,1V = 12,9V.

   Mas o que é esse tal de ripple? É a ondulação que aparece na tensão de saída de uma fonte quando há deficiência de filtragem ou a tensão do transformador está muito baixa para a tensão desejada de saída. Observe na figura abaixo que no pico da semi-senoide ocorre a carga do capacitor, mas quando a semi-senoide começa a diminuir quem segura a fonte é o capacitor de filtro. Porem como a energia armazenada é limitada ao valor do capacitor (ou banco de capacitor) essa começa a cair, causando a ondulação que se vê na crista do desenho. Essa ondulação aparece como um pequeno ronco de 120Hz em circuitos amplificadores ou transceptores de radio durante a transmissão.

   Essa ondulação deve ser o quanto menor possível para que a tensão no capacitor não caixa abaixo do valor mínimo que o regulador de tensão precisa para se manter estável. Ou seja o regulador de tensão deve recortar a parte do ripple. Essa parte recortada é justamente o excesso de tensão que vimos lá no início que vai ser transformado em calor nos transistores de saída! Tudo que está acima da linha azul será transformado em calor no transistores.

   Então a segunda coisa a se determinar é o valor do capacitor de filtro. Há uma boa prática que diz que basta 1000uF para cada 1A. Isso serve pra fonte bem pequenas, coisa de 1 ou 2A no máximo. Para fontes de alta corrente o ideal é 2000uF para cada 1A ou até mesmo 3000uF. Mas não convém exagerar no valor do capacitor de filtro pois acima 3000uF x 1A não vai adiantar muita coisa e só vai judiar da ponte retificadora. Alem de encarecer o projeto.

   Pois o capacitor de filtro apresenta-se como um curto-circuito para a ponte retificadora/transformador quando está descarregado. Você certamente já viu fonte linear de alta corrente fazer um barulho forte na caixa de lata ao ligar, isso é o intenso campo magnético gerado pelo transformador com o capacitor que se apresenta com um curto-circuito momentâneo para o transformador. Com isso a ponte retificadora também sofre com a alta corrente que circula por ela por esse breve período.

   A terceira parte, outra coisa muito negligenciada e que prega muitas peças são os transistores reguladores. Você vê uma fonte comercial de 30A e com cinco transistores 2N3055 em seu radiador de calor. E pensa: "Ah, mas um 2N3055 não agüenta até 15A? Então pra 30A bastariam apenas dois transistores?" Não é bem assim. Lembra da conta que fizemos ali atrás sobre a potência que temos que dissipar em cima dos transistores? Aqueles 204W? Os transistores tem limite de corrente e de dissipação, se ultrapassar qualquer um deles, o transistor não vai agüentar.

   Os dois parâmetros a observar no datasheet ao escolher o transistor regulador são, a corrente máxima de coletor (IC) e a potência total de dissipação (Ptot).

   É de boa prática nunca utilizar o transistor no limite máximo. É prudente deixar uma margem de segurança. Uma margem de 2/3 ou 66% é de boa prática. Se o 2N3055 agüenta 15A, limite a no máximo 10A por transistor. Se ele dissipa 115W, limite a 75W. Sempre deve-se respeitar o limite que for atingido e ultrapassado primeiro. Qualquer dos dois que for excedido precisa acrescentar tantos quantos transistores forem necessários até que o valor de corrente e dissipação necessário seja atingido.

   Vamos consultar o datasheet de alguns transistores bem conhecidos: 2N3055, 2N5885 e MJ802

   Como pode-se ver, cada tipo de transistor tem uma corrente máxima e dissipação máxima.

   Vamos escolher para exemplo de calculo, o 2N3055. Ao verificar os parâmetros, sempre aumente um transistor quando um dos valores ultrapassar o limite que planejamos para o transistor escolhido e refaça os cálculos, no caso do 2N3055 vamos trabalhar com 10A em cada um ou 75W. Como teremos 20A, pela corrente bastaria dois transistores. Mas pela potencia com dois transistores teríamos apenas 150W de dissipação. Então precisamos de três transistores, e teremos 30A @ 225W. O que cabe perfeitamente nos valores da fonte, 20A e 204W a dissipar.

   Se escolhesse o 2N5885, vamos considerar então 16,6A e 133W por transistor. Como precisamos de 20A e 225W, pode observar que apenas dois transistores vão suprir a necessidade. Então dois transistor 2N5885  conseguem 33,2A e 266W.

   Você jamais deve simplesmente colocar os transistores em paralelo. É necessário o uso de um resistor de baixo valor entre o emissor dos transistores e a saída, para equalizar a corrente devido a diferenças de ganho dos transistores. Se colocar tudo em paralelo sem os resistores, o de maior ganho conduz primeiro, queima por excesso de corrente enquanto os outros não fazem nada. Em geral utiliza-se resistores (todos iguais) com valor entre 0R33 até 0R1 x 5 ou 10W. A dissipação você pode calcular com a formula R x I² = W. Você calcula usando o valor escolhido (ex. 0R22) e a corrente que circula por cada transistor, a corrente total da fonte dividida pelo numero de transistores (ex. 5A por transistor). Então 0,22 x 5 = 5.5W. Por margem de segurança use o dobro do calculado, então 10W

   É de boa prática por causa do tamanho usar resistores em paralelo para atingir o valor em ohms e potencia em watts. Exemplo:

   Nesta fonte foram usados 3 resistores em paralelo para cada transistor, ela tem 4 transistores 2N3055. Os resistores neste exemplo são de 0R56 x 5W, o que resulta em um total de 0R18 x 15W para cada grupo de três para cada um dos transistores. Se quiser se aprofundar mais no assunto dos resistores equalizadores, deixo aqui o excelente artigo do saudoso Jk De Marco, PY2WM - SK.

   Por fim ainda sobre a escolha dos transistores, muito cuidado com as falsificações. Compre transistores de fornecedores idôneos e que garantam ser original e a procedência.

   A quarta coisa a observar, o dissipador de calor. Observe que aumentar a quantidade de transistores, não vai diminuir o aquecimento do radiador de calor. Só vai distribuir melhor a dissipação pelos transistores, mas ainda sempre teremos que dissipar a mesma quantidade em Watts. O tamanho do dissipador de calor terá que ser o mesmo para os três 2N3055 ou os dois 2N5885, deve ser capaz de dissipar estes 225W para o ambiente.

   A escolha do dissipador de calor deve ser criteriosa pra que os transistores não esquentem além da conta. Excesso de calor prejudica o componente e leva a falha prematura. Por hora eu indico este post do meu amigo Rodrigo Feliciano, sobre o calculo de dissipadores de calor. Um dissipador de calor mal dimensionado, pequeno vai deixar os transistores muito quentes, podendo danifica-los.

   A quinta observação que pega muita gente de surpresa. O ponto onde tomar a referencia de tensão para a referencia do regulador, o feedback.

   O ideal é que o ponto de referencia seja tomado o mais próximo da conexão de saída da fonte, se possível diretamente no borne de saída, como fiz na fonte da soundy modificada. Tomando a referencia diretamente no borne, o circuito regulador irá absorver e compensar toda a perda na fiação interna da fonte.

   A sexta parte que muitas vezes acaba prejudicando a estabilidade de uma fonte é a má escolha ou economia na bitola dos fios de interligação. Fiação fina é em geral o problema de fontes de baixo custo ou mal projetadas. Sempre consulte uma tabela de fios como esta abaixo para dimensionar corretamente a bitola dos fios. Lembrando que esta tabela é um compilado simplificado para comprimentos de até 2 metros e utilizado em DC.

   Quando a bitola do fio for impraticável por ser muito grossa, recorra ao truque de colocar fios em paralelo para obter o diâmetro adequado a corrente que a fonte irá fornecer.

   O circuito regulador de tensão. Este idealmente deveria ser, estável, ter limitação de corrente para proteção contra curto-circuito nos bornes de saída e proteção contra sobre-tensão (crowbar). Qualquer crowbar é melhor do que nenhum. O mais simples e confiável é o velho zener de 5W direto no borne de saída com um fusível antes do zener. O mais confiável de todo na minha opinião é com SCR.

   Há que goste e idolatre o famigerado LM723. Eu já tive dores de cabeça e prejuízos com ele o suficiente para querer ficar bem longe dele. Quem gosta e confia nele, que use, eu passo.

   Você pode usar circuitos muito simples e com poucos componentes, como por exemplo o esquema da fonte Soundy de 30A. Pode usar também circuito integrados reguladores de tensão como o que utilizei na restauração de uma velha Keletron. Ou ainda pode partir para um circuito feito totalmente com transistores que é muito confiavel e tem proteção de curto e crowbar como da fonte Intraco CV05.

   Um "plus" que ajuda muito é quando a fonte circula grandes correntes por trilhas na placa de circuito impresso. Reforçar as trilhas com estanho ou até mesmo com pedaços de fio estanhados e soldados as trilhas é uma boa pedida. Claro que o ideal não é circular grandes correntes por placa de circuito impresso, mas quando for inevitável, reforce as trilhas!

Placa com reforço nas trilhas de maior corrente.

   Outra coisa que ajuda é ventoinha no dissipador de calor. Se você puder conviver com o ruído dela, isso ajuda muito a dissipação de calor.

   Você pode ver a aplicação de todas estas informações no projeto de recuperação desta fonte da Keletron.

   Este artigo não pretende ser uma "bíblia" sobre fonte, e sim um apanhado de informações diretas e simples, que fazem grande diferença no projeto de fontes de alta corrente.

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Última atualização do site em: 03/outubro/2024