Uma das primeiras fontes de alimentação que podemos estudar em eletrônica é também uma das mais simples: a fonte de alimentação não estabilizada, também chamada de fonte não regulada.
Ela pode ser construída basicamente com:
transformador → retificador → capacitor de filtro → carga
Não existe um circuito eletrônico responsável por manter a tensão de saída constante.
E é justamente aí que aparece sua característica mais importante:
a tensão indicada na fonte não significa necessariamente que teremos exatamente aquela tensão em qualquer condição de funcionamento.
No vídeo deste artigo mostro algumas características desse tipo de fonte e o que acontece com sua tensão quando alteramos a carga.
O que significa uma fonte não estabilizada?
Uma fonte estabilizada ou regulada possui algum sistema que procura manter a tensão de saída próxima de um valor definido, mesmo quando ocorrem alterações dentro de determinadas condições de operação.
Uma fonte não estabilizada não possui essa etapa.
Sua estrutura tradicional é bastante simples:
rede elétrica CA
↓
transformador
↓
retificador
↓
capacitor
↓
tensão CC
Essa é justamente a estrutura clássica descrita para uma fonte não regulada: transformador, retificação e filtragem, sem o estágio regulador posterior.
O transformador reduz a tensão da rede
Em uma fonte linear convencional, o primeiro componente normalmente é o transformador.
Sua função é adequar a tensão alternada da rede para um valor menor e, em um transformador apropriado, proporcionar isolamento galvânico entre primário e secundário.
Podemos ter, por exemplo, um transformador especificado como:
230 V → 12 V CA
Mas existe aqui um detalhe muito importante.
Esses 12 V são valores RMS de tensão alternada.
Depois de retificar e filtrar essa tensão, não devemos esperar simplesmente obter 12 V CC.
12 V CA não significa necessariamente 12 V CC depois da retificação
Esse é um conceito extremamente útil para quem começa a construir fontes.
Uma senoide de:
12 V RMS
possui tensão de pico aproximadamente igual a:
Vp = Vrms × √2
Então:
Vp ≈ 12 × 1,414
Vp ≈ 17 V
Depois precisamos considerar as quedas nos diodos do retificador.
Em uma ponte retificadora, por exemplo, normalmente existem dois diodos conduzindo em cada semiciclo.
Assim, o capacitor pode carregar para uma tensão próxima do pico da senoide menos as quedas no retificador, especialmente quando a fonte está praticamente sem carga.
É por isso que uma fonte construída com um transformador de 12 V CA pode apresentar no multímetro uma tensão CC consideravelmente superior a 12 V quando está sem carga.
O retificador transforma CA em CC pulsante
Depois do transformador encontramos o retificador.
Uma solução muito utilizada é a ponte retificadora de onda completa, formada por quatro diodos.
Antes da ponte temos uma senoide:
positivo → zero → negativo → zero → positivo
Depois da retificação, os semiciclos negativos são aproveitados com a polaridade invertida.
O resultado ainda não é uma tensão perfeitamente contínua.
Temos uma:
CC pulsante.
É aí que entra o capacitor.
Para que serve o capacitor de filtro?
O capacitor eletrolítico colocado depois do retificador funciona como um pequeno reservatório de energia.
Quando a tensão retificada aumenta:
capacitor carrega
Quando a tensão retificada começa a diminuir:
capacitor fornece energia para a carga
Depois:
capacitor recebe nova carga
e o processo se repete.
Isso suaviza bastante a tensão de saída. O capacitor é carregado próximo aos picos da forma de onda e se descarrega através da carga entre esses picos.
Surge então o ripple
Mesmo utilizando um capacitor, a tensão não fica perfeitamente constante.
Podemos imaginar:
carrega → descarrega → carrega → descarrega
Isso produz uma pequena variação sobre a tensão contínua.
Essa variação é chamada de:
ripple, ou ondulação.
Em uma fonte com retificação de onda completa alimentada por uma rede de 50 Hz, como em Portugal, os picos de recarga aparecem a cada semiciclo e a frequência fundamental do ripple é de 100 Hz.
Quanto maior a carga, maior tende a ser o ripple
Agora chegamos a uma das características mais importantes desse tipo de fonte.
Imagine que quase não estamos consumindo corrente.
Entre dois picos da tensão retificada, o capacitor fornece pouca energia.
Então sua tensão cai pouco:
carga pequena → descarga pequena → ripple menor
Agora conectamos uma carga que consome mais corrente.
O capacitor precisa fornecer mais energia entre os picos:
carga maior → capacitor descarrega mais → ripple maior
Esse comportamento é característico das fontes não reguladas com filtro capacitivo.
Podemos estimar o ripple
Para uma retificação de onda completa com filtro capacitivo, uma aproximação bastante útil é:
Vripple ≈ I / (fripple × C)
onde:
I = corrente da carga
C = capacitância do filtro
fripple = frequência de recarga do capacitor
Com rede de 50 Hz e ponte de onda completa:
fripple = 100 Hz
Imagine:
I = 0,5 A
C = 2200 µF = 0,0022 F
Teríamos aproximadamente:
Vripple ≈ 0,5 / (100 × 0,0022)
Vripple ≈ 2,27 V pico a pico
É uma aproximação, mas mostra claramente a relação:
mais corrente → mais ripple
e:
mais capacitância → menos ripple.
Então basta colocar um capacitor enorme?
Não necessariamente.
Aumentar a capacitância reduz a ondulação, mas não é uma solução sem consequências.
Capacitores maiores:
ocupam mais espaço
custam mais
armazenam mais energia
e podem provocar picos maiores de corrente de recarga através dos diodos e do transformador.
Como quase sempre acontece na eletrônica, existe um compromisso de projeto.
Por que a tensão cai quando ligamos uma carga?
O ripple não é o único fenômeno.
Uma fonte não estabilizada também apresenta regulação de carga limitada.
Sem carga, podemos medir uma tensão relativamente alta.
À medida que aumentamos a corrente:
tensão de saída tende a cair.
Isso acontece por vários fatores do circuito real, incluindo:
resistência dos enrolamentos do transformador
quedas nos diodos
impedâncias internas
descarga do capacitor entre os picos
Assim, uma fonte pode apresentar, por exemplo:
sem carga → tensão mais alta
carga moderada → tensão menor
carga elevada → tensão ainda menor + ripple maior
Esse comportamento é uma das principais diferenças em relação a uma fonte regulada.
A própria tensão da rede também influencia
Como não existe um estágio regulador compensando as variações, alterações na tensão de entrada também podem aparecer na saída.
Se a tensão aplicada ao primário do transformador aumentar, a tensão do secundário tende a aumentar proporcionalmente.
Se diminuir, ocorre o contrário.
Assim:
variação da rede → variação no secundário → variação na saída CC
Essa dependência da entrada e da carga é justamente uma característica fundamental das fontes não reguladas.
Então o que significa estar escrito “12 V” em uma fonte dessas?
Precisamos interpretar com cuidado.
Em uma fonte não regulada antiga especificada como:
12 V DC
podemos encontrar uma tensão maior quando medimos sua saída sem nada conectado.
Ao conectar a carga para a qual a fonte foi projetada, a tensão pode se aproximar mais do valor nominal.
Por isso, pegar uma fonte antiga, medir:
15 V
e concluir imediatamente:
“Esta fonte de 12 V está com defeito”
pode ser um erro.
Primeiro precisamos saber:
ela é regulada ou não regulada?
qual é sua tensão especificada sob carga?
qual corrente estamos retirando?
Como descobrir isso experimentalmente?
Podemos fazer uma experiência bastante interessante.
Primeiro medimos:
Vsem carga
Depois conectamos uma carga conhecida e medimos:
Vcom carga
Se tivermos um osciloscópio, melhor ainda.
O multímetro pode mostrar algo como:
12,4 V DC
enquanto o osciloscópio revela que essa tensão contém uma ondulação:
__ __ __
____/ \_____/ \_____/ \____Assim percebemos que uma única leitura de tensão no multímetro não conta toda a história.
Fonte não estabilizada e fonte estabilizada
Podemos resumir a diferença assim:
| Fonte não estabilizada | Fonte estabilizada |
|---|---|
| Circuito simples | Circuito mais elaborado |
| Tensão varia mais com a carga | Tensão mais constante |
| Pode apresentar ripple significativo | Ripple geralmente menor |
| Poucos componentes | Possui estágio regulador |
| Baixo custo | Maior controle da saída |
Uma fonte linear regulada clássica pode ser entendida justamente como uma fonte não regulada seguida por um circuito regulador.
Podemos transformar uma fonte não estabilizada em estabilizada?
Em muitos casos, sim.
Podemos partir de:
transformador → ponte → capacitor
e acrescentar:
regulador de tensão
Por exemplo:
transformador → retificador → filtro → regulador → carga
Mas existe uma condição importante.
O regulador precisa receber tensão suficiente mesmo no ponto mais baixo do ripple e na condição de maior carga.
Se queremos obter 12 V regulados, não adianta a entrada do regulador cair para 11 V durante parte do ciclo.
Reguladores lineares precisam de determinada diferença entre entrada e saída para permanecer em regulação.
Quando uma fonte não estabilizada ainda pode ser útil?
Não devemos concluir que ela é necessariamente ruim.
Sua simplicidade pode ser uma vantagem em aplicações que:
toleram variação de tensão
não exigem uma alimentação muito limpa
possuem regulação interna posterior
ou em experiências didáticas.
Durante muitos anos, pequenos adaptadores com transformador, retificador e capacitor foram extremamente comuns.
O importante é saber o que estamos conectando à fonte.
Cuidado ao alimentar eletrônica moderna
Esse ponto merece atenção.
Imagine um aparelho especificado para:
12 V
e uma antiga fonte não regulada também marcada:
12 V
Parece uma combinação perfeita.
Mas a fonte pode fornecer uma tensão significativamente maior sem carga ou com carga pequena.
Se o equipamento moderno consumir pouca corrente, a fonte pode continuar operando acima dos 12 V esperados.
Portanto, antes de utilizar uma fonte antiga em outro equipamento, verifique:
polaridade
tensão real sob a carga
corrente disponível
tipo de conector
se a fonte é AC ou DC
se é regulada ou não regulada
e a tolerância do equipamento alimentado.
Um ótimo circuito para compreender fontes de alimentação
A fonte não estabilizada é extremamente didática porque permite visualizar vários conceitos fundamentais da eletrônica em sequência:
transformação
↓
retificação
↓
filtragem
↓
ripple
↓
efeito da carga
↓
regulação
Depois que entendemos esse circuito, fica muito mais fácil compreender por que existem reguladores lineares e fontes chaveadas.
Veja a experiência no vídeo
No vídeo abaixo mostro algumas características de uma fonte de alimentação não estabilizada e sem regulagem de tensão.
É um tema aparentemente simples, mas explica uma situação que confunde muita gente:
por que uma fonte marcada como 12 V pode apresentar mais de 12 V quando medida sem carga?
Quando entendemos transformador, valor RMS, tensão de pico, retificação, capacitor, ripple e efeito da carga, essa diferença deixa de ser um mistério.
A tensão de uma fonte conta apenas parte da história
Ao analisar uma fonte de alimentação, não basta perguntar:
“Quantos volts ela fornece?”
Também precisamos perguntar:
Essa tensão foi medida com qual carga?
Quanto ela varia quando a corrente aumenta?
Qual é o ripple?
Existe regulação?
Qual é a corrente máxima?
Uma fonte não estabilizada mostra muito bem por que uma fonte de alimentação real não é simplesmente uma “caixa que entrega uma tensão”.
Ela é um circuito cujo comportamento depende tanto de seus componentes quanto da carga que conectamos à saída.