Além da Ficha Técnica: Testes no Mundo Real de Reguladores de Tensão

Ultimamente, tenho trabalhado arduamente para testar diversos componentes eletrônicos. Você provavelmente está se perguntando por que eu simplesmente não leio as fichas técnicas e economizo tempo e dinheiro. A resposta é que as fichas técnicas, mais frequentemente do que deveriam, não contêm todos os detalhes que você pode precisar para selecionar sabiamente para o seu caso de uso específico. Alternativamente, a ficha técnica pode apresentar um componente de maneira mais favorável do que seu desempenho no mundo real. Eu quero saber como as minhas escolhas de componentes se comportam em testes do mundo real para os projetos que eu faço e construo.

Em uma postagem anterior, eu destaquei os Top 10 Módulos Reguladores de Comutação que passaram pelo meu processo de teste. Desta vez, vou contar como os reguladores de tensão linear que testei se comportaram.  

Reguladores Lineares vs. Reguladores de Comutação

Como Funcionam os Reguladores Lineares

Reguladores lineares de tensão fornecem conversão de redução de um nível de tensão para outro. Bem abaixo de sua casca de epóxi, você encontrará uma entrada de comparador não-inversora referenciada a uma tensão específica de bandgap, uma entrada de comparador inversora que monitora a tensão de saída, e um transistor conectado à saída do comparador. À medida que a tensão de entrada varia ligeiramente, o circuito comparador de alto ganho ajusta a tensão de polarização do transistor, afetando imediatamente a tensão e corrente de saída. Em resumo, os reguladores lineares de tensão são excepcionalmente bons em produzir uma tensão de saída constante, independentemente da tensão de entrada. Esta resposta rápida lhes confere uma Razão de Rejeição de Fonte de Alimentação (PSRR) muito alta, o que os torna perfeitos para uso com circuitos sensíveis a jusante (sensores, ADC, etc.).

Mas os reguladores lineares não são perfeitos, e não são dispositivos matizados. Qualquer diferença entre a tensão de entrada e saída é dissipada dentro do regulador como calor. Por exemplo, uma saída de 5V @ 1A a partir de uma entrada de 12V produzirá (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W de calor. 7 Watts de energia térmica para 5 Watts de energia elétrica não é uma boa troca.

Como Funcionam os Reguladores Chaveados

Reguladores chaveados, ou fontes de alimentação de modo chaveado (SMPS), utilizam comutação de alta frequência combinada com componentes de armazenamento de energia, como capacitores e indutores, para reduzir ou até aumentar a tensão de entrada. Sua principal característica é a eficiência, onde os reguladores lineares perdem eficiência à medida que o intervalo de tensão de entrada para saída aumenta; os reguladores chaveados podem manter alta eficiência em uma ampla gama de tensões e cargas.

Os reguladores chaveados funcionam alternando rapidamente a tensão de entrada do circuito entre ligado e desligado; controlando o ciclo de trabalho (ou a relação entre o tempo ligado e desligado), a tensão de saída pode ser ajustada. Enquanto o interruptor do regulador está ligado, energia é armazenada como um campo magnético em um indutor e, em seguida, liberada para a saída como uma tensão regulada. Os capacitores suavizam essa tensão que sobe e desce rapidamente, fornecendo uma saída relativamente estável. Esse processo aumenta significativamente a eficiência em comparação com um regulador linear, pois a energia excedente não é introduzida no circuito e não precisa ser convertida em calor.

Infelizmente, também existem algumas desvantagens nesta abordagem. Como os reguladores de comutação operam ciclo a ciclo, eles não podem reagir a mudanças na carga ou na tensão de entrada tão rapidamente quanto um regulador linear pode. Eles frequentemente experimentam quedas ou picos de tensão momentâneos à medida que a carga muda. Como a tensão de entrada está conectada à saída através de um indutor durante o tempo 'ligado' do interruptor, ruídos na fonte de alimentação de entrada podem chegar à saída muito mais facilmente do que em um regulador linear. Além disso, a ação de comutação do regulador introduz seu próprio ruído; à medida que o indutor armazena e libera energia, ocorre uma flutuação de tensão na frequência de comutação.

Como nota, existem várias topologias de reguladores de comutação, portanto, esta é uma visão geral muito genérica e ampla de sua operação.

Combinando Reguladores de Tensão de Comutação e Linear

Quando você tem uma grande diferença de tensão entre a entrada e a saída e precisa de uma fonte livre de ruídos, pode usar um SMPS em série com um regulador linear. O SMPS reduz a tensão de entrada para um valor mais apropriado para o regulador linear, que fornece uma linha de alimentação com baixo ruído. Por exemplo, suponha que você tenha um sensor de 3,3 V alimentado por uma bateria de 12 V. Nesse caso, você pode usar um regulador chaveado para reduzir de 12 V para 4,5 V e depois um regulador linear para diminuir de 4,5 V para 3,3 V. Você pode ver um exemplo disso em um circuito real ao conferir meu artigo e vídeo onde construí uma fonte de alimentação dupla a partir de uma bateria de 9V.

Queda de Tensão de Baixa Voltagem (LDO)

A física impõe limitações – existe um ponto em que os comutadores e os reguladores de tensão lineares não podem mais funcionar corretamente. Esse ponto geralmente depende de alguma forma dos requisitos de corrente do circuito a jusante. Suponha que você planeje ter um regulador linear LDO fornecendo uma tensão estável a um dispositivo, como um microcontrolador, a partir de uma fonte a montante com uma tensão decrescente, como uma bateria. Nesse caso, você vai querer determinar onde seu circuito deixa de funcionar, encontrar uma maneira de detectar essa tensão e desligar o circuito antes que a operação se torne confiável.

Testando o Desempenho no Mundo Real

78L09

Eu testei cinco reguladores de 100 mA tipo 78L09 da Onsemi, STMicroelectronics e Texas Instruments. Eu esperava que as peças fossem substituições diretas umas das outras, já que todas têm números de peça idênticos (veja os resultados aqui). E foi bom eu ter feito isso, já que certamente eles não apresentam todos o mesmo desempenho!

Tensão de Queda

A tensão de dropout é a menor tensão de entrada que permite que os módulos reguladores de tensão funcionem conforme especificado.  Isso significa que, para uma saída regulada de 9V, o On Semi MC78L09ABPRAG requer uma tensão de entrada mínima que é 9 V + 1,63 V = 10,63 V.  Há uma diferença de 170 mV entre a tensão de dropout do melhor e do pior componente, o Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 requer 10,8 V para funcionar adequadamente.  Isso significa que eu preciso ou projetar minhas soluções para o pior componente possível, ou projetar para o melhor e não aceitar substituições.  Mas de qualquer forma, estou deixando algo de lado.  Se eu projetar para o pior componente possível, estarei dissipando energia extra como calor, diminuindo meu orçamento de energia e encurtando desnecessariamente a vida útil da bateria.  Se eu projetar para o melhor componente, eu poderia me prender a um custo adicional, ou pior ainda, a uma escassez de componentes.  

Se eu estivesse trabalhando para uma empresa onde o gerente de compras dissesse “É possível substituir o 78L09 da Texas Instruments pelo 78L09 da OnSemi? Isso economizaria cerca de 200 dólares no total da produção.” A resposta deveria ser um simples “Sim”, mas sem testar a peça alternativa, você pode descobrir que seu circuito não funciona como esperado, dependendo de quão rigorosamente você projetou em relação à tensão de queda, saída térmica ou desempenho de ruído.

Eficiência

Verificando a eficiência em vários pontos de tensão de entrada, você poderia ver uma diferença de 10 a 15 por cento sob cargas muito leves. Pode não parecer muito, mas se você estiver operando a partir de uma bateria ou tiver um gabinete que não pode dissipar facilmente a energia térmica para o ambiente, essa pequena mudança poderia afetar negativamente a vida útil e o ciclo de trabalho do seu projeto. 

Felizmente, quando alcançamos as classificações de corrente máxima desses reguladores, todos eles estão dentro de alguns por centos um do outro. Perdemos o componente da Texas Instruments na sua tensão máxima avaliada de 24 V. Em comparação, os outros quatro reguladores podem operar até 30 volts de entrada.

A 11,9V de entrada e 8 miliamperes de carga, medi entre 6 e 18 milivolts de ruído em todos os componentes. Quando chegamos a 30 miliamperes de carga, cada um dos reguladores está dentro de um milivolt de ruído RMS um do outro. Suponha que você esteja alimentando um dispositivo sensível e de baixa corrente como um amplificador de alto ganho com esses reguladores. Nesse caso, a diferença de ruído entre os reguladores pode não ser ideal se você mudar para uma peça alternativa sem testá-la primeiro.

Embora eu não recomende operar um regulador linear na máxima tensão de entrada que ele pode suportar, o ruído a 30 volts de entrada pode variar substancialmente entre os diferentes fabricantes.

Então, qual regulador você deve escolher? Escrevi uma consulta SQL muito extensa para agregar todos os dados de teste, destacar números dignos de nota e classificar os reguladores que testei. As classificações favorecem uma baixa tensão de queda média, alta eficiência e baixo ruído.

Nas posições um e dois, temos o Microchip MCP1700 e MCP1702. Testei esses nas suas variantes de 3,3 e 5 volts, respectivamente. Esses reguladores possuem alguns dos menores valores de queda de tensão entre todos os reguladores que testei, levando-os a terem um bom posicionamento. Seu desempenho quanto a ruído também é excelente, mas, assim como os reguladores chaveados que analisamos da última vez - eles precisam de uma carga mínima para operação estável; acontece apenas que é muito menor do que seus equivalentes chaveados. 

Os dados de ruído foram coletados com meu osciloscópio da série Rigol MSO5000, que tem um piso de ruído relativamente alto. No futuro, planejo retestar todos os reguladores com meu Rohde and Schwarz MXO44 ou Keysight MXR, que têm pisos de ruído muito mais baixos. 

A eficiência é o outro parâmetro chave para classificação, e a série Microchip MCP1700 tem um desempenho muito bom... para reguladores lineares. Os gráficos de eficiência mostram claramente a relação linear entre a tensão de entrada e a eficiência.

Em seguida no ranking, temos o STMicroelectronics LF50CV, um regulador de cinco volts e meio ampere. O gráfico pode fazer parecer que a tensão de dropout é maior do que a do regulador de cinco volts MCP1702. No entanto, este regulador pode fornecer o dobro da corrente - nos 250mA máximos do MCP1702, o LF50CV é um pouco melhor em termos de desempenho para dropout. Em termos de eficiência, é praticamente o mesmo que o MCP1702, o que esperamos. 

Os dados de ruído são bastante similares aos dados de dropout. Apenas olhando para o gráfico, pode parecer que o LF50CV é muito mais barulhento, mas é mais um caso da tendência de dobrar a carga. Por exemplo, com uma fonte de 8 volts e carga de 250mA, o MCP1702 tem 3,79mV de ruído RMS, enquanto o LF50CV tem 3,46mV com uma carga de 270mA.

Avançando para o regulador de um ampere e 3,3 volts da Texas Instruments LM3940IT - a queda de tensão é ligeiramente melhor que a do MCP1700. As coisas ficam bastante interessantes ao olhar para o gráfico de eficiência. A eficiência sob carga leve deste regulador cai abruptamente, sendo o primeiro dos reguladores que analisamos a mostrar essa queda acentuada. No geral, é alguns por cento menos eficiente que o MCP1700, uma vez que a eficiência atinge um ponto linear.

O ruído do LM3940IT também é interessante, embora eu suspeite que sei o motivo. No geral, o desempenho em relação ao ruído é excepcional e muito estável sob cargas extremamente leves. Eu espero que os grandes picos no gráfico sejam erros de medição - especificamente, o regulador iniciando um desligamento térmico. Eu tenho cada um desses reguladores acoplados a um dissipador de calor enorme com pasta térmica de alta performance e ventiladores dos dois lados... mas ainda assim não é suficiente para dissipar o calor do pacote para alguns componentes. O ruído médio do LM3940IT em todas as tensões e cargas é o melhor de todos os reguladores testados, mesmo com esses picos de ruído estranhos.

Na quinta posição, mas longe de estar no fim da classificação, está outra peça da Texas Instruments, o TL780-12KCS. Trata-se de um regulador de saída de 12 volts com 1,5 ampères. Dada a alta corrente e tensão de saída, espero uma queda de tensão consideravelmente significativa comparada às peças que já analisamos. Os dados não decepcionam - com uma carga de 1,5 ampères, você vai querer fornecer a este regulador pelo menos 15 volts para dar uma pequena margem para variação entre as peças. Com essa carga, você precisará lidar com 4,5 watts de calor desperdiçado! Não é surpresa que o regulador tenha entrado em desligamento térmico ao fornecer uma carga de 1,5 ampères a partir de uma entrada de 30 volts. Ainda assim, não foi o primeiro a entrar em desligamento térmico durante os testes.

A eficiência é o que você esperaria, além da queda acentuada nas cargas mais leves, assim como vimos na última peça da TI. Este é um regulador muito barato, então eu entendo por que você poderia querer escolhê-lo em vez de um regulador chaveado - mas se o ruído de saída não for um problema, então provavelmente custará mais ter gerenciamento térmico do que escolher um regulador linear estilo substituição de regulador chaveado.

Então, vamos olhar para o ruído, porque se você está analisando um regulador como este, não é pela sua eficiência! Há uma leve instabilidade sob as cargas mais leves, mas isso rapidamente desaparece. Seu desempenho em relação ao ruído é relativamente consistente em toda a sua faixa de carga.

Para concluir nossa exploração dos reguladores lineares, vamos voltar à questão central: quando você deve usar um regulador linear em vez de um comutador? Como vimos, a resposta depende de um equilíbrio entre eficiência, ruído e gestão térmica. Os reguladores lineares são a escolha preferencial para aplicações onde o baixo ruído é crucial, particularmente em circuitos analógicos sensíveis. No entanto, suas desvantagens em termos de eficiência, especialmente sob cargas mais altas e diferenças significativas de tensão de entrada para saída, não podem ser ignoradas.

A jornada através desses 35 reguladores lineares revelou uma paisagem fascinante de variações de desempenho. Mesmo dentro da mesma família de componentes, observamos diferenças que poderiam impactar significativamente o desempenho e as considerações de design do seu projeto. Isso sublinha a importância dos testes no mundo real e de não confiar exclusivamente nas especificações das folhas de dados.

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