Diferenças Entre Reguladores Lineares Reguladores de Comutação e Reguladores em Série

1. Reguladores Lineares vs. Reguladores Chaveados

Um regulador linear requer uma tensão de entrada maior que sua tensão de saída. Ele gerencia a diferença entre as tensões de entrada e saída — conhecida como tensão de dropout — variando a impedância do seu elemento regulador interno (como um transistor).

Considere um regulador linear como um “especialista em controle de tensão” preciso. Quando confrontado com uma tensão de entrada excessiva, ele age decisivamente “cortando” a porção que excede o nível desejado de saída, garantindo que a tensão de saída permaneça constante. A tensão excedente que é “removida” é finalmente dissipada na forma de calor, mantendo uma saída estável.

Em termos de configuração de circuito, um regulador linear em série típico utiliza um amplificador de erro, uma fonte de tensão de referência e um transistor de passagem para formar um sistema de realimentação em malha fechada que monitora e corrige continuamente a tensão de saída em tempo real.

Os reguladores lineares incluem principalmente reguladores de três terminais e reguladores LDO (Low Dropout). O primeiro utiliza uma arquitetura convencional que exige uma diferença relativamente grande entre as tensões de entrada e saída (tipicamente ≥2 V), resultando em eficiência mais baixa, sendo adequado para aplicações de média e alta potência. Em contraste, os reguladores LDO são otimizados para tensão de dropout mínima (tão baixa quanto 0,1 V), tornando-os ideais para cenários onde as tensões de entrada e saída estão próximas — como em dispositivos alimentados por bateria — embora seja necessária uma cuidadosa concepção térmica.

A Figura 1 ilustra os princípios operacionais dos reguladores lineares e chaveados.

Reguladores chaveados, por outro lado, controlam o tempo de condução e desligamento de interruptores de potência (por exemplo, MOSFETs) para ajustar o ciclo de trabalho da transferência de energia. A tensão de entrada é então convertida em uma tensão média de saída estável por meio do armazenamento de energia e filtragem realizados por indutores e capacitores.

Sua característica principal é a regulação do tipo “chopper”: a tensão de entrada é comutada em alta frequência, e a energia entregue à saída é controlada ajustando o ciclo de trabalho do interruptor. Essa abordagem alcança eficiência significativamente maior em comparação com reguladores lineares.

As topologias comuns de reguladores chaveados incluem Buck (redução de tensão), Boost (elevação de tensão) e outras, suportando amplas faixas de tensão de entrada e tornando-se adequadas para aplicações de alta potência ou ambientes com grandes flutuações na tensão de entrada.

A Figura 2 fornece uma comparação entre reguladores lineares e chaveados. Você pode selecionar o tipo apropriado com base em suas necessidades específicas: escolha um regulador linear quando priorizar baixo ruído e simplicidade do circuito; opte por um regulador chaveado quando forem necessárias alta eficiência e alta entrega de potência.

2.Reguladores de Tensão em Série

Um regulador de tensão em série é posicionado entre a fonte de alimentação e a carga, atuando como um “guardião de regulação de tensão” preciso. Seu princípio de funcionamento envolve o ajuste dinâmico da resistência de um resistor variável em resposta às mudanças na tensão de entrada ou corrente de saída, mantendo, assim, a tensão de saída em um valor estável e pré-definido.

Na tecnologia eletrônica moderna, os CI (Circuitos Integrados) reguladores em série utilizam dispositivos ativos, como MOSFETs ou transistores de junção bipolar (BJTs), para substituir elegantemente os resistores variáveis tradicionais, aumentando significativamente o desempenho e a confiabilidade do regulador.

A configuração do circuito de um regulador de tensão em série é precisa e bem estruturada, consistindo principalmente nos seguintes quatro componentes principais:

● Transistor de Saída: Conectado em série entre os pinos de entrada e saída do regulador, age como uma ponte ligando a fonte de alimentação a montante e a carga a jusante. Quando ocorrem flutuações na tensão de entrada ou corrente de saída, o sinal do amplificador de erro controla precisamente a tensão da porta (para MOSFETs) ou a corrente da base (para BJTs) deste transistor.

● Fonte de Tensão de Referência: Atuando como o ponto de referência estável para o amplificador de erro, a fonte de tensão de referência desempenha um papel crítico. O amplificador de erro se baseia nesta referência fixa para regular com precisão a porta ou a base do transistor de saída, assegurando, assim, uma tensão de saída estável.

● Resistores de Retroalimentação: Estes resistores dividem a tensão de saída para gerar uma tensão de retroalimentação. O amplificador de erro compara esta tensão de retroalimentação com a tensão de referência para alcançar uma regulação de saída precisa. Os dois resistores de retroalimentação estão conectados em série entre os pinos VOUT e GND, e a tensão no ponto médio é alimentada ao amplificador de erro.

● Amplificador de Erro: Funcionando como o “cérebro inteligente” do regulador em série, o amplificador de erro compara cuidadosamente a tensão de retroalimentação (ou seja, a tensão no ponto médio do divisor de tensão dos resistores de retroalimentação) com a tensão de referência. Se a tensão de retroalimentação cair abaixo da tensão de referência, o amplificador de erro aumenta a força de condução ao MOSFET, reduzindo sua tensão dreno-fonte e, assim, elevando a tensão de saída. Por outro lado, se a tensão de retroalimentação exceder a tensão de referência, o amplificador reduz a força de condução do MOSFET, aumentando a tensão dreno-fonte e diminuindo a tensão de saída conforme necessário.

Neste artigo, exploramos mais a fundo os princípios de funcionamento, funções e configurações de circuito de vários tipos de reguladores de tensão. No próximo capítulo, explicaremos o mecanismo de regulação dinâmica dos reguladores lineares e esclareceremos as diferenças entre os reguladores de três terminais e os LDO (Low Dropout).