Ahoy Maraujos!
Este é um post para explicar de maneira simplificada sobre reguladores de tensão e o processo de fabricação de nossos reguladores personalizados.
O que são “reguladores de tensão”?
Reguladores de tensão são dispositivos que produzem uma tensão de saída estabilizada, utilizando componentes eletrônicos para tal. Podemos separá-los em 3 categorias:
- Circuitos que apenas abaixam a tensão de entrada, chamados step-down ou buck;
- Circuitos que apenas elevam a tensão de entrada, chamados step-up ou boost;
- Circuitos que conseguem tanto abaixar quanto elevar a tensão de entrada, chamados de buck-boost;
Reguladores Lineares
Necessitando apenas de um capacitor, os reguladores lineares utilizam um transistor como um resistor variável, dissipando a energia excedente. Por isso, é o tipo menos eficiente de regulador. Outra desvantagem sua é ser apenas do tipo buck. Mas seu circuito simples e baixo ruído eletromagnético compensam em aplicações específicas.
Reguladores Chaveados
Este tipo de circuito já é mais complexo, necessitando de alguns componentes externos, como indutores, capacitores e diodos, para seu correto funcionamento. A grande vantagem deste tipo de circuito é sua alta eficiência, acima de 80% na maioria dos casos.
Reguladores chaveados funcionam conectando e desconectando a saída rapidamente. Quando ligado, um capacitor na saída carrega e aumenta sua tensão, e quando desligado, o capacitor fornece energia para a carga. Sendo assim, a tensão de saída sofre com uma pequena oscilação denominada ripple.
Nossa escolha
No caso do Poli Náutico, onde em geral trabalhamos com baterias de 12 V, optamos por desenvolver circuitos chaveados buck para 5 V. Para o caso especial de nosso barco solar, que possui um banco de baterias de 48 V, desenvolvemos um circuito chaveado buck para 12 V.
Regulador 5 V
Para fornecer os 5 V necessários para os microcontroladores que usamos, optamos pelo circuito integrado (CI) LM2575, que possui uma corrente máxima de 1 A e tensão máxima de entrada de 40 V.
Regulador 12 V
Para fornecer 12 V aos componentes do Floki, nosso barco solar, utilizamos o CI LM2576HV, capaz de fornecer até 3 A de corrente e aceita até 60 V em sua entrada. A versão normal do CI não serviria nossos propósitos visto que aceita apenas 40 V de entrada, e o banco de baterias do barco é de 48 V.
Regulador Ajustável
O circuito do regulador ajustável decidimos comprar feito, a partir do CI LM2596, que também é capaz de fornecer 3 A de corrente e tensão de saída variável entre 1,2 V e Vin - 3 V. Optamos por não fabricar este circuito pois o preço das peças era maior que a placa pronta, e não temos tantos usos para tensões diferentes do padrão 5 V.
O Circuito
Escolhemos variantes de um mesmo circuito integrado para este projeto, assim o circuito externo possui os mesmos componentes, mudando apenas seus valores.
De acordo com o datasheet, precisamos de um capacitor de entrada e um de saída, um indutor e um diodo. Os valores desses componentes dependem da tensão esperada de entrada e da corrente prevista de saída, informados em gráficos nos respectivos datasheets.
Capacitor de entrada
Para uma operação estável, é necessário um capacitor de pelo menos 47 \mu F, de tensão acima do esperado. A fim de utilizar um único capacitor para ambos os circuitos, decidimos por capacitores eletrolíticos de 100 \mu F, 63 V.
Capacitor de saída
Na saída, é necessário um capacitor para reduzir o nível de oscilações (ripple). De acordo com o datasheet, quanto maior o valor do componente, menor a oscilação. Como nossa aplicação não é sensível ao ripple, um capacitor eletrolítico de 470 \mu F, 25 V é suficiente.
Indutor
Para a escolha do indutor, consideramos o pior caso possível para os circuitos, que seria corrente máxima e tensão de entrada acima do ideal (1 A e 15 V para o LM2575, 3 A e 60 V para o LM2576). Incrivelmente, para ambos os casos um indutor de 220 \mu H é suficiente.
Diodo
Segundo o datasheet, diodos das famílias 1N4000 e 1N5000 não são adequados por serem de baixa frequência. Também é sugerido 25% como margem de segurança nos valores de tensão.
A loja online que compramos os componentes não possuía uma grande variedade de diodos, então escolhemos o UF5408, que possui boa resposta em altas frequências e tensão reversa máxima de 1000 V. Apesar de ser muito além do necessário, era o único disponível na loja que atendia a demanda do circuito.
Resumo dos componentes
| Componente | Valor |
|---|---|
| Cin | 100 \mu F / 63 V |
| Cout | 470 \mu F / 25 V |
| Diodo | UF5408 |
| Indutor | 220 \mu H |