Conceitos Fundamentais

Uma fonte de alimentação linear regulada é um sistema eletroeletrônico cuja finalidade é converter energia elétrica de corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) estável, com alta precisão de tensão, baixa ondulação residual (ripple) e resposta dinâmica adequada às variações de carga. Ao contrário das fontes chaveadas, que utilizam conversão de energia por comutação de alta frequência, as fontes lineares empregam transformadores, retificadores e reguladores em série ou shunt, o que lhes confere baixa interferência eletromagnética (EMI) e alta simplicidade conceitual. No entanto, essa simplicidade também implica em menor eficiência e maior dissipação térmica.

Definições Precisas

• Tensão de saída (V_out): valor nominal de tensão CC entregue pela fonte sob condições especificadas de carga.
• Regulação estática: capacidade da fonte de manter V_out constante diante de variações de tensão de entrada (regulação de linha) e de corrente de carga (regulação de carga).
• Ripple: componente alternado residual superposto à tensão contínua, resultante da retificação e filtragem imperfeita.
• Dropout: diferença mínima entre a tensão de entrada e a tensão de saída para que o regulador mantenha a regulação.
• PSRR (Power Supply Rejection Ratio): capacidade do regulador em atenuar flutuações na tensão de entrada, expressa em dB.
• Dissipação térmica: energia convertida em calor pelos elementos reguladores devido à diferença de potencial e à corrente.

Fundamentos Matemáticos e Técnicos

O projeto de uma fonte linear exige entendimento das etapas de conversão e filtragem, bem como o dimensionamento dos componentes ativos e passivos. A seguir, detalham-se os principais aspectos matemáticos envolvidos.

Retificação e Cálculo do Ripple

Após a etapa de transformador, a tensão secundária de CA é retificada por diodos em configuração de ponte completa ou meio ciclo. A forma de onda unidirecional resultante é então suavizada por capacitores de filtro. A corrente de carga descarrega o capacitor entre picos sucessivos, gerando uma variação de tensão (ripple) dada, na aproximação de descarga linear, por:

\( V_{r(pp)} \approx \frac{I_{load}}{f_{r} \, C} \)

• V_r(pp): ripple de pico a pico;
• I_load: corrente de carga;
• f_r: frequência de repetição dos picos (igual a duas vezes a frequência da rede em ponte completa);
• C: capacitância de filtragem.

Fisicamente, durante cada intervalo, o capacitor fornece corrente ao circuito de carga, reduzindo sua tensão até o próximo pico de recarga. Para um ripple máximo admissível, define-se C mínimo:

\( C_{\min} = \frac{I_{load}}{f_{r} \, V_{r(pp)}} \)

Regulação em Série

No regulador linear série, um transistor (BJT ou MOSFET) é inserido em série com a carga, controlando a queda de tensão através de um circuito de referência e amplificador de erro. A tensão de saída resulta de:

\( V_{out} = V_{ref} \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) + I_{adj} \, R_2 \)

onde V_ref é a tensão de referência (interna ou externa), R₁ e R₂ formam divisor de realimentação e I_adj é a corrente de ajuste do ci regulador (tipicamente desprezível se comparada a correntes de carga). A estabilidade dinâmica do laço de realimentação requer rede de compensação (por exemplo, capacitor de compensação entre coletor e base do transistor de erro), dimensionada para garantir margem de ganho e fase adequadas, evitando oscilações.

Perdas e Dimensionamento Térmico

A principal limitação em fontes lineares é a dissipação térmica. A potência dissipada no dispositivo regulador P_d é dada por:

\( P_{d} = (V_{in} - V_{out}) \times I_{out} \)

Essa energia deve ser conduzida para o ambiente sem exceder a temperatura máxima do componente. O cálculo de dissipação térmica envolve a resistência térmica interna (θ_ja ou θ_jc) e, muitas vezes, um dissipador com resistência térmica θ_sa:

\( \Delta T = P_{d} \times (\theta_{jc} + \theta_{cs} + \theta_{sa}) \)

onde ΔT é a elevação de temperatura acima da temperatura ambiente. A escolha de dissipador e fluxo de ar deve garantir que ΔT não ultrapasse a margem de segurança do componente.

Implementação Prática

Nesta seção, descreve-se passo a passo o projeto de uma fonte de 12 V CC com corrente até 1 A. A aplicação típica inclui instrumentação e dispositivos analógicos sensíveis a ruídos, requerendo ripple abaixo de 10 mVpp e regulação de carga melhor que 0,5 %.

1. Escolha do Transformador

Determina-se tensão secundária V_sec RMS de modo a garantir, após retificação e carga, tensão DC mínima: considerando queda de diodo (~2 × 0,7 V) e ripple:

\( V_{sec} \approx \frac{V_{out} + V_{diode} + \frac{V_{r(pp)}}{2}}{0.707} \)

Para nosso exemplo: V_out=12 V, V_diode=1,4 V, V_r(pp)=0,02 V, resulta V_sec≈ 12,5 V RMS. Adota-se transformador 13 V–0 –13 V ou 15 V–0–15 V, 50 VA.

2. Retificador e Filtragem

Utiliza-se ponte de diodos 1 A, tensão reversa mínima de 50 V, e capacitor eletrolítico de filtragem. Com I_load=1 A e f_r=100 Hz, para V_r(pp)<0,02 V:

\( C \ge \frac{1\,\text{A}}{100\,\text{Hz} \times 0{,}02\,\text{V}} = 500\,\mu\text{F} \)

Adota-se 1000 µF/35 V para margem, com baixo ESR para reduzir ripple térmico.

3. Regulador Série com TL431 e Transistor de Potência

Para maior flexibilidade, opta-se por regulador discreto: o diodo de referência ajustável TL431 como elemento de referência e amplificador de erro, acionando um transistor PNP de potência (TIP42C). O diagrama de blocos:

• TL431 configurado para V_ref=2,495 V;
• Divisor R₁–R₂ dimensionado para 12 V;
• Transistor em série, dissipador adequado.

O divisor satisfaz:

\( 12\,\text{V} = 2{,}495\,\text{V} \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) \quad\Longrightarrow\quad \frac{R_2}{R_1} = \frac{12}{2{,}495} - 1 \approx 3{,}81 \)

Escolhem-se R₁=2,2 kΩ, R₂=8,2 kΩ (valores comerciais). Um capacitor de compensação de 10 nF entre referência e catodo do TL431 garante estabilidade do laço.

4. Proteção e Filtragem Adicional

Para limitar corrente em curto-circuito, inclui-se resistor de sense R_sense de baixo valor em conexão ao TL431, implementando proteção por foldback. Adicionalmente, um filtro RC na saída atenua ruído de alta frequência.

Considerações Gerais

O desempenho global de uma fonte linear regulada depende de múltiplos fatores interdependentes. A estabilidade térmica é crítica: a variação de temperatura interna pode afetar V_ref e características de ganho do transistor, alterando a regulação. Da mesma forma, a qualidade dos capacitores de filtragem (ESR e corrente de ripple) impacta diretamente no ripple residual e na resposta dinâmica. Deve-se sempre realizar simulações SPICE para verificar margens de estabilidade em laço fechado e avaliar resposta a transitórios.

Conceitos Avançados

Resposta Transitória e Compensation Network

O laço de realimentação possui dinâmica de segundo ordem, caracterizada por frequência de ganho unitário e margens de ganho/fase. A adição de polos e zeros por redes RC no caminho de feedback ajusta a resposta. Por exemplo, um zero de compensação pode ser inserido via capacitor paralelo a R₁, melhorando margem de fase:

• Zero de compensação: f_z = 1/(2π R₁ C_c);
• Polo de alta frequência: f_p = 1/(2π R_t C_c), com R_t impedância de saída do regulador.

Essa técnica evita oscilações e melhora a resposta a variações rápidas de carga.

Regulação Remota (Remote Sensing)

Em aplicações de precisão, a queda de tensão em trilhas ou fios pode degradar a tensão real entregue à carga. O recurso de remote sensing consiste em medir V_out diretamente na carga, retroalimentando o regulador na origem. Assim, o regulador compensa automaticamente a queda de linha, mantendo V_load constante.

Curto-Circuito e Foldback

A proteção por foldback reduz a corrente de saída conforme a tensão de saída decai, limitando a dissipaçã o térmica do regulador em curto-circuitos prolongados. O projeto desse circuito requer dimensionamento de resistores que definem pontos de transição de corrente e tensão de saída mínima.

Tendências e Perspectivas

Embora as fontes lineares sejam clássicas, continuam relevantes em aplicações de alto desempenho analógico, laboratórios e instrumentação. As principais tendências incluem:

• Reguladores LDO de baixo ruído: integração de referências de banda larga e montagens SMD de alta precisão, com PSRR superior a 80 dB até centenas de kHz.
• Híbridos linear-chaveado: fontes com pré-regulagem por chaveamento de baixa frequência, seguida de estágio linear para redução de ripple e EMI.
• Monitoramento digital: incorporação de microcontroladores internos para ajuste dinâmico de tensão, proteção programável e comunicação via I²C ou PMBus.
• Materiais avançados: uso de transistores de silício de alta tensão ou GaN em estágio linear, reduzindo V_dropout e dissipação.

Essas inovações visam combinar a simplicidade e a baixa interferência das fontes lineares com a flexibilidade e eficiência das soluções digitais e chaveadas.

Conclusão

O projeto de fontes de alimentação lineares reguladas exige equilíbrio entre diversos parâmetros: tensão e corrente de saída, ripple, regulação estática e dinâmica, dissipação térmica e complexidade de implementação. A compreensão teórica dos fenômenos de retificação, filtragem e controle em laço fechado, aliada a cálculos rigorosos e simulações, é fundamental para alcançar desempenho confiável. Conceitos avançados como compensation network, remote sensing e foldback enriquecem o projeto, enquanto as tendências atuais apontam para integrações digitais e materiais de nova geração, ampliando o campo de aplicação dessas fontes clássicas no cenário tecnológico contemporâneo.