Fonte de Alimentação Regulável de Alta Corrente (1.2V-37V, até 20A) com LM317 e TIP35C

Fonte de Alimentação Regulável (1.2V-37V, até 20A) com LM317 e TIP35C

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Introdução: A Necessidade de Potência na Bancada Eletrônica

Olá a Todos!

Seja você um estudante, hobista avançado ou profissional, uma fonte de alimentação de bancada versátil e potente é uma ferramenta indispensável. Muitos projetos, desde amplificadores de áudio até carregadores de bateria de alta capacidade ou testes de motores CC, exigem não apenas tensão ajustável, mas também uma capacidade de corrente significativa.

Nós do FVML já compartilhamos diversos projetos de fontes:

• Fonte Ajustável de 1.25 ~ 33V e 3 Amperes com LM350 + PCI
• Fonte para Bancada com Tensão e Corrente Ajustável
• Circuito Fonte Variável 1.25 à 35V 10 Amperes com Transistor D13007 e LM317
• Circuito Regulador de Tensão de Alta Precisão com CI TL431 + PCI
• Fonte Estabilizada 13.8V Alta Corrente 30 Amperes + PCI

Mas hoje vamos mergulhar em um circuito capaz de entregar até 20 Amperes: uma Fonte de Alimentação Variável de Alta Corrente, ajustável de 1.25V a 37V.

Este projeto utiliza o clássico e confiável Circuito Integrado LM317 como cérebro da regulação de tensão, combinado com robustos transistores de potência TIP35C para amplificar a capacidade de corrente. 

Abordaremos o funcionamento, os componentes críticos, os desafios de montagem (especialmente a dissipação de calor) e forneceremos o diagrama e a lista de materiais para você construir a sua.

💡 Princípio de Funcionamento: Combinando Regulação e Potência

Entender como o circuito opera é fundamental para uma montagem bem-sucedida e segura. A mágica acontece pela combinação inteligente de dois tipos de componentes:

1️⃣ O Regulador de Tensão (LM317): 

O LM317 é um regulador de tensão positiva ajustável. Sua função principal aqui é estabelecer a tensão de saída desejada.

Através do potenciômetro (P1), variamos a tensão no pino de ajuste do LM317, que por sua vez define a tensão de saída (entre seu pino OUT e ADJ, mantendo 1.25V). No entanto, o LM317 sozinho só consegue fornecer cerca de 1.5A.

2️⃣ Os Transistores de Potência (TIP35C) como "Boosters" de Corrente: 

Para alcançar os 20A desejados, utilizamos transistores de potência NPN, como o TIP35C, em uma configuração conhecida como "pass transistor" ou seguidor de emissor. A saída regulada do LM317 (após passar por R1) alimenta a base desses transistores.

Os transistores, por sua vez, controlam o fluxo de corrente principal que vem da fonte de entrada (retificada e filtrada) diretamente para a saída. Essencialmente, o LM317 define a tensão, e os TIP35C fornecem a "força" (corrente) necessária, atuando como válvulas controladas pela tensão do LM317.

A tensão final na saída será muito próxima à tensão na base dos transistores (definida pelo LM317), menos a pequena queda de tensão base-emissor (Vbe) dos TIP35C.

🛑 Componentes Críticos e Limitações de Projeto

🧠 O Cérebro da Operação: LM317

• Função: Regulador de tensão positiva.

• Range de Tensão: 1.25V a 37V.

• Corrente Máxima: 1.5A (sem ajuda externa).

• Características: Robusto, fácil de usar, com proteção interna contra sobrecarga térmica e curto-circuito (protege a si mesmo, não necessariamente os transistores externos).

🪢 Os Músculos: Transistor de Potência TIP35C

• Função: Amplificador/Chaveador de corrente (Pass Transistor).

• Tipo: NPN de alta potência.

• Especificações Chave (Datasheets):

• Vceo (Tensão Coletor-Emissor): 100V (para o TIP35C - atenção às variantes A/B). Essencial ser maior que a tensão máxima de entrada DC.
• Ic (Corrente de Coletor Contínua): 25A. Atenção: Este é o limite máximo absoluto do componente sob condições ideais (geralmente Vce baixo e temperatura controlada).
• Pd (Dissipação Total de Potência): 125W a 25°C de case. Este é o fator MAIS CRÍTICO!

📝 Calculo dos 20 Amperes Seguindo a Lei de Ohm

O datasheets informa Ic(max) = 25A e Pd(max) = 125W. É crucial entender que você não pode ter ambos ao mesmo tempo em aplicações práticas. A potência dissipada em cada transistor (convertida em calor) é calculada por:

P_dissipada = (Tensão_Entrada_CC - Tensão_Saída_Ajustada) * Corrente_Por_Transistor

Exemplo:

Se sua entrada CC (após C1) for 45V e você ajustar a saída para 12V com uma carga puxando 10A (distribuída igualmente entre 4 transistores, 2.5A cada):

• P_dissipada_por_transistor = (45V - 12V) * 2.5A = 33V * 2.5A = 82.5 Watts!

Essa potência de dissipação encontra-se dentro dos limites dos 125W que um único TIP35C pode dissipar.

🤔 Quantos Transistores para 20A? 

Para operar de forma robusta e segura próximo a 20A, especialmente em tensões de saída mais baixas (onde a dissipação é maior), quatro transistores TIP35C podem serem suficientes. É altamente recomendável usar pelo menos 4 (quatro), mas para uso contínuo, é recomendável usar ao menos 6 (seis) transistores TIP35C em paralelo.

🧭 Resistores de Emissor (R3, R4, R5 e R6): 

Os resistores de baixo valor (no esquemático original, 0.1 ohms 5W) conectados aos emissores de cada transistor são importantes para ajudar a equalizar a corrente entre eles (balanceamento):

Valor do Resistor: 

• 0.1 ohms pode ser usado, introduzindo uma queda de tensão significativa. Valores como 0.1 a 0.22 ohms são comuns.

Potência: 

• A potência do resistor é de 5W. Se 20A passarem por um resistor de 0.1 ohm (4 transistores (5A por resistor)
• P = R * I²
• P = 0.1 * 5² = 2.5 Watts. 

Contudo, picos e desbalanceamentos podem ocorrer. Para uso contínuo com consumo de motores com picos, é recomendado usar resistores de pelo menos 10W (dependendo do valor e número de transistores), preferencialmente do tipo não-indutivo e montados com espaço para ventilação.

💡 Considerações Essenciais de Projeto e Montagem Segura

Construir uma fonte de alta corrente exige atenção redobrada aos detalhes. Negligenciar estes pontos pode resultar em falha do circuito, danos aos componentes ou riscos de segurança.

🌀Transformador e Retificação de Entrada (Não mostrado no esquemático original)

Transformador: Você precisará de um transformador robusto.

Tensão Secundária AC: 

• Para obter 37V CC na saída, a tensão CC na entrada (após C1) deve ser alguns volts maior (pelo menos 3V para o LM317 + quedas nos transistores). Uma tensão CC de entrada de ~42-45V é razoável. Isso requer um transformador com secundário de aproximadamente 30 a 35V CA.

Potência (VA): 

A capacidade de corrente é crucial. Para 20A na saída CC, a corrente CA no secundário será ainda maior. Uma estimativa segura é:

• VA = Tensão_AC * Corrente_DC * 1.4 (fator aproximado)
• VA = 35V * 20A * 1.4 ≈ 980 VA. 

Você precisará de um transformador de pelo menos 1000 VA, que é grande, pesado e caro.

Ponte Retificadora (D1): 

• A KBPC5010 (50A, 1000V) é uma boa escolha, mas precisará de um dissipador de calor próprio, pois dissipará potência significativa (P ≈ 2 * V_f * I_cc).

☑️ Capacitor de Filtro Principal (C1)

Capacitância: 

• 6800uF é o mínimo aceitável. Para 20A, um ripple (ondulação) baixo é desejável. Use pelo menos 10.000uF, e valores maiores (22.000uF ou mais) são melhores, se o orçamento e espaço permitirem. Considere usar vários capacitores menores em paralelo.

Tensão: 

• A tensão CC após a retificação será V_AC * sqrt(2). Para um Trafo de 35V CA, o pico CC pode chegar a 35 * 1.414 ≈ 49.5V. Portanto, um capacitor com tensão nominal de pelo menos 63V, preferencialmente 80V ou 100V para margem de segurança.

Ripple Current Rating: 

• Verifique no datasheets do capacitor se ele suporta a alta corrente de ripple esperada.

🗜️ Dissipação de Calor: O Maior Desafio Deste Projeto

• Não subestime o calor! Como calculado anteriormente, os transistores TIP35C dissiparão MUITA potência.

• Dissipador de Calor (Heatsinks): É OBRIGATÓRIO um dissipador de calor muito grande, de baixa resistência térmica (medida em °C/W). Um dissipador passivo (sem ventoinha) provavelmente não será suficiente para 20A contínuos ou operação prolongada com alta dissipação.

• Ventilação Forçada: Planeje usar uma ventoinha (cooler) para forçar a circulação de ar pelo dissipador.

• Montagem: Use pasta térmica de boa qualidade entre os transistores e o dissipador. Certifique-se de que os transistores estejam firmemente presos. Se o dissipador for comum a todos os transistores e não estiver aterrado, use isoladores de mica ou silicone e buchas nos parafusos para evitar curtos (o coletor do TIP35C é o encapsulamento metálico).

⚡ Fiação e Layout da PCB

• Alta Corrente = Trilhas Largas/Fios Grossos: Os caminhos que conduzem a corrente principal (da ponte retificadora para C1, para os coletores dos TIP35C, dos emissores para a saída, e o retorno do GND) devem usar fios de bitola grossa (ex: AWG 10 ou 12), se necessário, reforçadas com solda ou barras de cobre.

• Conexões: Use terminais de parafuso robustos para a entrada CA, saída CC e conexões dos transistores/resistores de emissor, se não montados diretamente na PCI.

🧯 Segurança em Primeiro Lugar: Fusíveis e Proteção

• Fusível de Entrada AC: Indispensável! Coloque um fusível apropriado (ex: 10A ou 15A do tipo slow-blow, dependendo da tensão de rede e eficiência) no lado primário do transformador.

• Fusível de Saída CC: Altamente recomendado. Um fusível rápido (fast-blow) ou disjuntor CC na saída (valor um pouco acima da corrente máxima desejada, ex: 25A) pode proteger a carga e a fonte em caso de curto-circuito externo.

• Proteção de Curto-Circuito: Este circuito, na sua forma básica, NÃO possui proteção ativa contra curto-circuito para os transistores de potência. O LM317 se protegerá, mas um curto na saída pode queimar os TIP35C instantaneamente. Adicionar um circuito de limitação de corrente (foldback ou constante) é uma modificação avançada, mas muito valiosa para a durabilidade da fonte.

🔌 Diagrama Esquemático

O diagrama da Figura 2 abaixo ilustra o conceito básico com 4 transistores. Para uma operação robusta em 20A de forma contínua, recomendamos que aumente mais dois transistores na seção do transistor TIP35C (Q) e seu resistor de emissor (R), conectando todas as bases juntas (ao ponto após R1) e todos os emissores juntos (ao ponto de saída, através de seus respectivos resistores). Todos os coletores são conectados juntos à entrada CC (+Vcc não regulado).

Fig. 2 - Diagrama Esquemático Fonte Regulável (1.2V-37V, até 20A) com LM317 e TIP35C

📋 Lista de Materiais

• CI1: Regulador de Tensão LM317

• Q1, Q2, Q3, Q4: Transistor de Potência TIP35C

• D1: Ponte Retificadora KBPC5010 (ou similar, 50A, 1000V) + Dissipador apropriado

• D2, D3, D4, D5: Diodos 1N4007 (ou similar)

• C1: Capacitor Eletrolítico 10.000uF / 63V (ou 80V/100V) - Verificar Ripple Current Rating!

• C2, C3: Capacitor Cerâmico ou Poliéster 0.1uF (100nF) - 50V ou mais

• R1: Resistor 220 ohms, 1/4W

• R2: Resistor 10K ohms, 1/4W (Pode ser substituído por um trimpot para ajuste fino da tensão mínima, se desejado)

• R3, R4, R5, R6... (Um por transistor): Resistor 0.1 ohms a 0.22 ohms / 10W (Tipo não indutivo, montagem com ventilação)

• P1: Potenciômetro Linear 5k ohms

• Transformador: Secundário ~30-35V AC, mínimo 1000 VA

• Dissipador de Calor: Muito Grande, de baixa resistência térmica (ex: < 0.5 °C/W) + Ventoinha (Cooler)

• Pasta Térmica, Isoladores (Mica/Silicone) e Buchas: Se necessário para montagem dos transistores.

• F1: Fusível CA: Valor apropriado (ex: 10A-15A Slow-Blow) + Porta-fusível

• F2: Fusível CC: Valor apropriado (ex: 25A Fast-Blow) + Porta-fusível

• Fiação: Bitola grossa (AWG 10-12) para alta corrente.

• Gabinete, Bornes de Saída robustos, Interruptor CA, Cabo de Força, Parafusos, etc.

🖨️ Layout da Placa de Circuito Impresso (PCI)

Para quem prefere uma montagem mais organizada, nosso parceiro "elcircuits.com" desenvolveu um layout de PCB baseado neste projeto, com inclusão de mais 2 Transistores de potência.

Fig. 3 - Fonte Regulável 20A PCB - elcircuits.com

• Clique na imagem para acessar o post parceiro e baixar os arquivos Gerber, PDF e esquemático.

• Aviso: Ao usar qualquer layout de PCB (este ou outro), verifique cuidadosamente se as trilhas de alta corrente são suficientemente largas e se a disposição dos componentes permite uma boa gestão térmica, conforme discutido neste artigo. Pode ser necessário reforçar as trilhas manualmente com solda ou fios.

🧾 Conclusão: Um Projeto Desafiador, Mas Extremamente Recompensador

Construir esta fonte de alimentação de alta corrente é, sem dúvida, um projeto eletrônico avançado. Exige um investimento significativo em componentes (especialmente o transformador, dissipador e capacitores), atenção meticulosa aos detalhes de montagem e uma compreensão clara dos princípios de gerenciamento térmico e segurança elétrica.

No entanto, o resultado final é uma ferramenta de bancada incrivelmente poderosa e versátil, capaz de alimentar uma vasta gama de projetos exigentes.

⭕ Lembre-se sempre dos pontos críticos:

• Gerenciamento térmico é REI: Subdimensionar o dissipador e a ventoinha é receita para falha.

• A capacidade de 20A é realista APENAS com múltiplos transistores (4+) e refrigeração ativa adequada.

• Dimensione corretamente os componentes de entrada (Trafo, Ponte, Capacitor C1).

• 20A é um limite superior. A operação contínua nesse nível exige múltiplos transistores e refrigeração ativa.

• A segurança não é opcional: Use fusíveis, isole corretamente e trabalhe com respeito à eletricidade.

👋 Esperamos que este guia completo sirva como um recurso valioso para o seu projeto!

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