Circuitos Rectificadores de Precisão

Resumo
• Circuitos não lineares de formatação de Ondas
• Circuitos Rectificadores de Precisão
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Circuitos não lineares de formatação de Ondas
Díodos
e transístores podem ser combinados com
resistências para sintetizar dipolos com
características de transferência não linear.
Tais dipolos podem ser utilizados para
formatação de ondas, ou seja, mudando a
onda de entrada de forma a produzir uma
determinada onda de saída. Um exemplo
que será apresentado é o formatador
de onda sinusoidal. O formatador de onda
sinusoidal é utilizado extensivamente em geradores de ondas. Apesar os
osciladores lineares produzirem ondas sinusoidais de alta pureza, não são
convenientes a baixas frequências. São também, em geral, mais difíceis de
sintonizar numa gama de frequência alargadas. A figura mostra um circuito
não linear para converter uma onda triangular numa onda sinusoidal.
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Circuitos não lineares de formatação de Ondas
No método de breakpoint
a característica de transferência não linear
é obtida por uma curva linear em segmentos.
Os díodos são utilizados como comutadores
de ganho para se obter os vários declives
da curva em determinados valores de tensão.
O circuito é composto por uma
cadeia de resistências ligadas entre duas tensões
simétricas entre +V e −V . O propósito deste
divisor de tensão é gerar tensões de referência
que determinam os pontos de breakpoint.
Deve notar-se que o circuito é simétrico,
sendo o sinal de entrada triangular e gerando
uma onda sinusoidal de saída. Cada quarto
de período é aproximado por três segmentos.
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Circuitos não lineares de formatação de Ondas
Considerando a secção do sinal de entrada entre 0 e 1: quando o sinal é menor
em amplitude do que V1 , nenhum dos díodos conduz e a saída é igual à
entrada. Quando a tensão de entrada aumenta para V1 e D2 (considerando a
queda de tensão no díodo nula) começa a conduzir. Então para vI > V1
5
vO = V1 + (vI −V1 ) R4R+R
5
Isto implica que quando a entrada aumenta acima V1 a saída segue com um
ganho mais reduzido. Foi assumido que a resistência no divisor de tensão são
suficientemente pequenas para que as tensões V1 e V2 sejam constantes
independentemente da corrente vinda da entrada.
Quando a tensão atinge o ponto do segundo breakpoint determinado por V2 ,
então D1 conduz limitando a saída vO a V2 dando origem ao terceiro segmento
que é plano. Para tensões negativas o processo é simétrico.
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Circuitos não lineares de formatação de Ondas
Estes circuitos produzem resultados muito bons em termos Distorção
Harmónica Total (THD). THD é a razao, em percentagem, do valor eficaz de
todas as componentes harmónicas em relação à fundamental.
A THD é baixa também pelas características não ideais da curva i − v dos
díodos no joelho da curva de condução, que dá origem a uma transição suave
entre segmentos.
Aplicações práticas do formatador empregam seis a oito segmentos.
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Circuitos não lineares de formatação de Ondas
O outro método para a
conversão duma onda triangular em onda
sinusoidal é baseado num amplificador
que tem característica de transferência
que aproxima a função de seno.
Tal circuito amplificador consiste num
par diferencial com uma resistência ligada
entre os dois emissores. Com uma escolha
apropriada dos valores da corrente
de polarização I e da resistência R, o
amplificador diferencial pode ter a característica de transferência que
aproxima o seno.
Para valores pequenos de vI a característica de transferência do circuito é
quase linear. Para valores grandes de vI as características não lineares do
transístor bipolar reduz o ganho do amplificador aproximando-se da onda
sinusoidal.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Circuitos de rectificação são usados no desenho de fontes de alimentação.
Nessas aplicações as tensões a amplificar são muito maiores que a queda de
tensão nos díodos e despreza-se a queda de tensão nos díodos.
Mas nos casos de aplicações de instrumentação a amplitude pode ser muito
pequena sendo impossível aplicar circuitos rectificadores convencionais.
Alem disso os circuitos têm que ter características de transferência muito
precisas.
Circuitos que combinam díodos e amplificadores operacionais para
implementar uma variedade de circuitos rectificadores com características
precisas serão estudados a seguir.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Rectificador de meia onda - O SuperDíodo
Se vI for
positivo, a tensão de saída vA será positiva e o díodo
conduzirá, estabelecendo uma realimentação negativa
entre a saída do amplificador operacional e o terminal
de saída negativa. Esta realimentação negativa
causará um curto-circuito virtual entre os dois
terminais de entrada. Por isso a tensão no terminal de
entrada negativa que é também a tensão de saída vO
será igual (com uma precisão de alguns milivolts) ao
terminal de entrada positivo. Então vO = vI vI > 0.
Para o circuito operacional operar, vI tem que
exceder só uma tensão muito pequena igual à queda de tensão no díodo
dividido pelo ganho do amplificador operacional em malha aberta. A
característica vO − vI passa quase pela origem.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Rectificador de meia onda - O SuperDíodo
Considere agora o caso de vI negativo.
A tensão de saída do amplificador operacional
vA vai tender para a tensão de alimentação
negativa. Isto polarizá inversamente o díodo
e não passará nenhuma corrente pela resistência
R, fazendo vO = 0. Então para vI < 0, vO = 0.
O amplificador operará em malha aberta
e a saída estará num nível de saturação negativa.
Quando a tensão vI se torna negativa e vO = 0 toda
a amplitude de vI aparece entre os dois terminais de
entrada do amplificador operacional. Quando esta amplitude é maior que
alguns volts o amplificador operacional pode destruir-se se não estiver
equipado com protecção de excesso de tensão (uma protecção que qualquer
amplificador operacional moderno tem). Outra desvantagem é que para
tensões negativas o amplificador operacional estará saturado. Para passar do
estado saturado para a zona linear requer algum tempo.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Um circuito alternativo
Este
circuito não apresenta as desvantagens do anterior.
Para
uma tensão positiva vI , o díodo D2 conduz e fecha
a malha de realimentação à volta do amplificador
operacional. Assim existirá massa virtual
na entrada e a saída do AmpOp estará a ' −0.7V
e v0 = 0V uma vez que D1 estará inversamente
polarizado e não haverá corrente através de R2 .
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Um circuito alternativo
Quando vI é negativo,
o terminal inversor do amplificador operacional
ficará ligeiramente negativo ficando a saída positiva.
D2 fica polarizado inversamente e ao corte. O díodo
D1 conduzirá e fechará a malha de realimentação
ficando a entrada do amplificador operacional
em massa virtual. A corrente de entrada passará por
R2 . Se R1 = R2 a tensão de saída vO = −vI , vI 6 0.
O declive da curva de transferência
pode ter o valor desejado variando R1 e R2 .
A maior vantagem do rectificador de meia onda é que a malha de
realimentação está sempre fechada operando o amplificador operacional na
zona linear (evitando o tempo de comutação de saída do amplificador da
saturação).
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Aplicação:
medição de Tensões AC
Para uma entrada sinusoidal
tendo uma amplitude de pico Vp
a saída v1 do rectificador será
uma onda sinosoidal rectificada
em meio ciclo, tendo uma amplitude de pico de Vp R2 /R1 . Pode-se mostrar,
usando análise de Fourier, que a onda v1 tem um valor médio de
(Vp /π) (R2 /R1 ), contendo também harmónicos da frequência w do sinal de
entrada. Para reduzir as amplitudes destes harmónicos para níveis
desprezáveis a frequência de corte do filtro passa-baixo deve ser escolhida
muito mais baixa do que wmin da onda de entrada ou seja 1/ (CR4 ) wmin .
A tensão de saída v2 será essencialmente continua
V
V2 = − πp RR21 RR43
Este circuito mede a componente DC das excursões negativas do sinal de
entrada. No entanto pode ser calibrado para medir o valor rms das sinusóides
de entrada (pois o valor rms é directamente proporcional a Vp ).
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Rectificador de onda completa
Um circuito para rectificação de onda completa de precisão está representado
na figura. Enquanto DA rectifica as semi-ondas positivas o amplificador com
ganho -1 em conjunto com o díodo DB rectifica as semi-ondas negativas,
invertendo-as, resultando na onda C.
Pode-se substituir o díodo DA por um superdíodo e o amplificador inversor e
DB por um rectificador de meia onda inversor do acetato 11 (excluindo o
díodo D2 ).
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Rectificador de onda completa
Considerando uma entrada positiva
em A. A saída de A2 (E) ficará positiva,
D2 conduzirá através de RL fechando a malha
de realimentação. Um curto-circuito virtual
será estabelecido entre os terminais de entrada
de A2 e a tensão no terminal negativo, que
é a tensão de saída serão iguais. Não haverá
corrente a passar por R1 e R2 (pois diferença
de tensão é nula nos seus terminais). A1 satura uma vez que o terminal
inversor de A1 estará a uma tensão positiva e D1 estará ao corte.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Rectificador de onda completa
Considerando uma entrada negativa em A.
A saída de A1 aumenta, fazendo D1 conduzir
para alimentar RL e além disso fechar
a malha de realimentação através de R2 . Então
existe massa virtual e sendo R1 e R2 iguais
implica que a saída é a inversa da entrada.
A tensão negativa em
A e a tensão positiva em C implica que A2 está
em saturação negativa, mantendo D2 ao corte.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Um rectificador
em ponte para aplicações de precisão
Este circuito faz passar pelo galvanómetro
uma corrente |vA | /R. Por isso o galvanómetro
dá uma leitura que é proporcional à média
do valor absoluto da tensão de entrada vA .
As
não idealidades do amperímetro e dos díodos
são atenuadas colocando a ponte na malha
de realimentação do amplificador operacional.
A malha mantêm-se fechada para todos os
valores de vA .
O circuito fornece um voltímetro com relativa precisão e alta impedância de
entrada .
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Detectores de Pico de precisão
Para vI maior que a tensão de
saída, o díodo conduz fechando
a malha de realimentação.
A saída seguirá a entrada com o
amplificador operacional a carregar o condensador até o sinal de entrada
chegar ao pico.
Para uma tensão de entrada abaixo da tensão de pico o amplificador saturará
negativamente e o díodo ficará ao corte.
A inclusão duma resistência de carga é essencial para o circuito detectar
outros picos de amplitude mais baixa uma vez que permite a descarga do
condensador.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Detectores de
Pico de precisão - Com Buffer
Quando o detector de
pico precisa de reter o seu valor
por muito tempo é preciso usar
um circuito tampão (buffer).
O díodo D1 é o díodo que
rectifica e o díodo D2 age para
prevenir a saturação negativa de A1 . Durante o estado em que o pico foi
atingido, o seguidor A2 fornece D2 com uma pequena corrente através de R. A
saída do amplificador operacional A1 estará igual à entrada menos a queda de
tensão no díodo D2 . D1 estará ao corte.
Se vI aumenta acima do valor armazenado em C (que é igual a vO ), o
amplificador operacional A1 ficará com uma tensão positiva na entrada
aumentando a tensão de saída (de A1 ) ficando D2 inversamente polarizado e
D1 a conduzir carregando C. vO aumenta com a tensão em C estabilizando o
circuito através da realimentação R.
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Circuitos Rectificadores de Precisão
Restaurador DC
Se vI é uma onda quadrada com excursão entre um valor negativo e positivo
então a saída é a soma da tensão negativa (dessa excursão) somada à onda
quadrada.
Quando vI é negativo (parte negativa da onda quadrada) C carrega com essa
tensão pois o amplificador operacional está na zona activa e tem tendência a
manter a massa virtual no terminal negativo.
Quando vI é positivo o operacional fica saturado negativamente (D1 fica ao
corte) e a tensão de saída é a soma de vI com a tensão antes armazenada em C.
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