009 - retificadores

DIAGRAMA DE BLOCOS DE UMA FONTE DE TENSÃO
Essa deficiência presente nos retificadores é resolvida pelo emprego de um filtro
conectado entre a saída do retificador e a carga. O filtro atua no sentido de aproximar a
tensão na carga, tanto quanto possível, da tensão contínua ideal, de valor.
TRANSFORMADOR
Diminui a tensão de saída
A tensão do secundário é igual a tensão do primário dividida pela relação de espiras
do transformador
ELETROMAGNETISMO
O termo magnetismo resultou do nome Magnésio, região da Ásia menor (Turquia),
devido a um minério chamado magnetita (ímã natural) com a propriedade de atrair
objetos ferrosos à distância ( sem contato físico).
A Magnetita é um mineral magnético formado pelos óxidos
de ferro II e III cuja fórmula química é Fe2O3. A magnetita
apresenta na sua composição, aproximadamente 69% de
FeO e 31% de Fe2O3 ou 26,7% de ferro e 72,4% de
oxigênio.
A magnetita é a pedra-ímã mais magnética de todos os
minerais da Terra e a existência desta propriedade foi
utilizada para a fabricação de bussolas.
Campo magnético é a região do espaço em torno de um condutor percorrido por
corrente elétrica ou em torno de um ímã. Para cada ponto do campo magnético existe
um vetor B, denominado vetor campo magnético.
No sistema internacional a unidade do vetor B é o Tesla (T).
FONTES DE CAMPO MAGNÉTICO
RETIFICADOR DE MEIA ONDA
- Possui um diodo em série com o resistor de carga.
- Tem a característica de conduzir corrente somente num sentido.
- Tensão na carga corresponde à metade da onda inserida na entrada.
- O valor de tensão DC na saída é um valor médio de tensão.
- A freqüência de ondulação na saída é igual à freqüência de entrada.
- O retificador de meia onda tem baixa eficiência
O
diodo
conduz,
somente, durante os
semiciclos positivos.
O diodo conduz, somente, durante os semiciclos negativos.
EQUAÇÕES
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM CENTER TAPE
- Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída
- Possui um transformador com tape central (center-tapped) e dois diodos.
- A tensão na carga é um sinal de onda completa cujo pico é a metade da tensão
secundária.
- As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C.T. (0V).
- Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em
RL e por isto, a corrente em RL é contínua.
- Somente os semiciclos positivos de A e de B passam
para a saída.
A entrada para cada diodo é a metade da tensão
do secundário.
EQUAÇÕES
A freqüência de ondulação na saída é o dobro da
freqüência de entrada
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
- Pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede elétrica
- A tensão na carga é um sinal de onda completa com valor de pico igual à tensão
secundária
- Conduzem somente dois diodos de cada vez
- Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em
RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Somente os semiciclos positivos
passam para a saída.
A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada
EQUAÇÕES
f = 120 Hz para onda completa
Vond é a tensão de ondulação ou de ripple na saída e quanto menor for Vond mais
próxima de uma tensão contínua pura será a tensão de saída
FORMAS DE ONDA PARA FILTRAGEM EM MEIA ONDA E EM ONDA COMPLETA.
Em onda completa a filtragem é mais eficiente do que para meia onda e isto por
que, no retificador de onda completa, a tensão de ondulação é menor.
O CAPACITOR COMO ELEMENTO DE FILTRAGEM
A capacidade de armazenamento de energia elétrica dos capacitores pode ser utilizada
como recurso para realizar um processo de filtragem na tensão de saída de um circuito
retificador. Essa filtragem é realizada conectando-se o capacitor diretamente nos
terminais de saída do circuito retificador.
RETIFICADOR DE MEIA ONDA
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
FILTRO CAPACITIVO DE ENTRADA
CARGA
DESCARGA
VRPP, é a tensão de Ripple de pico-a-pico
Nos intervalos de tempo em que o diodo entra em regime de condução, uma parte da
corrente flui através da carga com a parte restante fluindo para o capacitor. Nesses
intervalos de tempo, carga elétrica é transferida da armadura conectada ao cátodo do
diodo para a segunda armadura do capacitor.
Nos intervalos de tempo em que o diodo opera no regime de bloqueio, o capacitor inicia
o processo de transferência da carga elétrica da armadura negativa para a positiva.
Com o circuito retificador em bloqueio, não é possível a ocorrência de um fluxo de
corrente através do circuito retificador. Conseqüentemente, a corrente produzida pela
descarga do capacitor flui através da carga.
Por estar em paralelo com o capacitor, a carga fica sempre submetida à mesma
diferença de potencial existente entre as armaduras do capacitor.
À medida que ocorre a descarga do capacitor, a diferença de potencial entre as
armaduras diminui.
A eficiência nos sistemas de retificação pode ser observada comparando-se os gráficos
das tensões de saída do circuito retificador com e sem filtro capacitivo.
SEM FILTRO RETIFICADOR
COM FILTRO RETIFICADOR
A colocação de um capacitor na
saída de um circuito retificador
aumenta o valor da tensão média na
carga.
O capacitor na saída do circuito retificador sofre sucessivos processos de carga e
descarga. Nos períodos de condução do diodo o capacitor sofre carga e sua tensão
aumenta, enquanto nos períodos de bloqueio o capacitor descarrega e sua tensão
diminui.
Os intervalos de tempo t1 E t2 definem as durações dos processos de carga e
descarga.
t1 = intervalo de tempo do processo de carga do capacitor.
t2 = intervalo de tempo do processo de descarga do capacitor.
Como se pode observar, a tensão de saída não assume o valor constante característico
de uma tensão puramente contínua, variando no tempo entre os valores extremos V1 e
Vmáx. Essa variação na tensão de saída é denominada de ondulação, termo derivado
do inglês ripple.
Ondulação ou ripple, é a variação observada na tensão
de saída do circuito retificador com filtro capacitivo.
A diferença entre os valores Vmáx e V1 é definida como a tensão de ondulação (Vond).
Este parâmetro, assume a expressão matemática abaixo.
Vond = Vmáx − V1
A tensão de ondulação de uma fonte retificada é uma medida da componente alternada
presente na saída da fonte. O valor dessa componente alternada serve como parâmetro
de avaliação da qualidade de um circuito retificador.
Quanto menor o valor da componente alternada presente na saída de uma fonte
retificadora melhor é sua qualidade.
A ondulação na saída de um circuito retificador depende fundamentalmente de três
fatores.
Capacidade de armazenamento do capacitor
É proporcional ao valor de sua capacitância. Fixado o valor da resistência de carga,
um maior valor da capacitância implica um processo de descarga mais lento e,
conseqüentemente, uma menor tensão de ondulação.
Resistência de carga
Quanto maior for o valor da resistência de carga, menor será a corrente suprida
pelo capacitor durante o processo de descarga.Dessa forma, a carga elétrica
armazenada na armadura positiva do capacitor diminui mais lentamente na
descarga, resultando em uma menor tensão de ondulação.
Tipo de circuito retificador
Fixados os valores da resistência de carga e da capacitância do circuito retificador,
a tensão de ondulação fica dependente apenas do tipo de circuito retificador. No
circuito retificador de onda completa o capacitor é carregado duas vezes a cada
ciclo da tensão de entrada. Esse tipo de circuito opera, portanto, com a metade do
tempo do retificador de meia onda, exibindo assim uma menor tensão de ondulação.
A tensão média Vcc no capacitor de
saída de um circuito retificador de onda
completa ou de meia onda pode ser
calculada a partir da expressão abaixo.
Vond
Vcc = Vmáx −
2
Na ausência de um resistor de carga, ou
equivalentemente com a saída em aberto,
o capacitor nunca descarrega. Nessas
condições, Vond = 0.
Vcc = Vmáx = 2 VxCA
Na ausência de um resistor de carga, as tensões de saída dos circuitos retificadores de
meia onda e de onda completa com filtro capacitivo não variam no tempo.
Exemplo 1: Analisar o comportamento de um circuito retificador de meia onda.
Na ausência de um resistor de carga,
a tensão de saída é constante.
Vcc = 2 xVCA
Vcc = 2 × 15 = 21,2 V
Esse comportamento pode ser observado
conectando-se um osciloscópio em modo dc
na saída da fonte retificadora.
20VDC
10VDC
Cada quadrante
vale 5VDC
Exemplo 2: Com um resistor na saída, aparece uma ondulação na tensão de saída.
Admitindo-se que a tensão de ondulação seja Vond = 3 V, calcule Vond.
Circuito retificador conectado a uma carga.
Vond
Vcc = Vmáx −
2
3
= 21,2 − 1,5
2
= 19,7 V
Vcc = 15 × 2 −
⇒ Vcc
20VDC
10VDC
Cada quadrante
vale 5VDC
Modelo Analógico
Modelo Digital
O osciloscópio é um instrumento de medição que permite visualizar graficamente
sinais elétricos. Na maioria das aplicações, o osciloscópio mostra como é que um sinal
elétrico varia no tempo. Neste caso, o eixo vertical (Y) representa a amplitude do sinal
(tensão) e o eixo horizontal (X) representa o tempo. A intensidade (ou brilho) é por
vezes chamada de eixo dos Z.
A ondulação é uma componente alternada presente na tensão de saída de uma fonte
retificadora com filtro capacitivo conectado uma carga. Em situações de interesse
prático, o valor da tensão de ondulação é normalmente inferior a 10% do valor Vcc.
Para medir com precisão o valor da tensão de ondulação no capacitor de saída de uma
fonte retificadora, deve-se utilizar o modo de operação ac do osciloscópio.
A expressão utilizada no projeto do filtro capacitivo, sem introduzir erro significativo em
situações em que a tensão de ondulação seja inferior a 20% do valor Vcc é mostrada
abaixo.
I máx
C =T
Vond
•Vond = Tensão de ondulação medida em Volts
•Imáx = Corrente máxima na carga em mA
•T = Período aproximado da descarga do capacitor
•C = Valor da capacitância do filtro em µF
Para uma freqüência AC de 60 Hz utiliza-se :
•T = 16,6 ms para um retificador de meia onda
•T = 8,33 ms para um retificador de onda completa
Exemplo 1: Deseja-se montar uma fonte retificadora de meia onda com tensão de
saída de 12V, corrente de 150mA, e com ondulação de 2V. Assumindo a freqüência da
rede elétrica de 60 Hz, determinar a capacitância.
DADOS
Vout = 12V
Imáx = 150 mA
Vond = 2V
Hz = 60Hz
I máx
C =T
Vond
Para uma freqüência AC de 60 Hz utiliza-se
T = 16,6 ms retificador de meia onda
Exemplo 2: Deseja-se montar uma fonte retificadora de onda completa com tensão de
saída de 13,8V, corrente de 900mA, e com ondulação de 1,5V. Assumindo a freqüência
da rede elétrica de 60 Hz, determinar a capacitância.
DADOS
Para uma freqüência AC de 60 Hz utiliza-se
T = 8,33 ms retificador de onda completa
Vout = 13,8V
Imáx = 900 mA
Vond = 1,5V
Hz = 60Hz
I máx
C =T
Vond
Ao se projetar uma fonte retificadora, além do valor da capacitância do filtro, deve-se,
também, especificar sua tensão de isolação. A tensão de isolação deve ser sempre
superior ao maior valor da tensão de operação do capacitor.
O filtro capacitivo ideal seria aquele que possibilitasse a obtenção de uma tensão de
saída não ondulada.
Certamente este tipo de capacitor deveria exibir uma capacidade de armazenamento de
carga elétrica elevadíssima para poder manter a tensão de saída absolutamente
constante. Nota-se, portanto, que a utilização prática de um filtro capacitivo que
produza pequena ondulação na saída requer uma certa ponderação:
Na prática, os filtros capacitivos normalmente utilizados na construção de fontes
retificadoras são do tipo eletrolítico, pois esse tipo de filtro apresenta um alto valor de
capacitância por unidade de volume.
Vale também observar que, se a tensão de ondulação de uma fonte retificadora é
elevada demais para alimentação de um determinado equipamento, utilizam-se
normalmente circuitos eletrônicos destinados especificamente à regulação da tensão
de alimentação, evitando, assim, a necessidade de alteração do filtro capacitivo.
Diminuir o percentual de ondulação implica no uso de filtros de alta capacitância, que
além de serem mais volumosos, aumentam o custo do projeto.
ESPECIFICAÇÃO DE DIODOS – VBR e IDM
Retificador de meia onda com capacitor de filtro na entrada:
Retificador de onda completa com capacitor de filtro de entrada:
Retificador de onda completa em ponte com capacitor de filtro de entrada
EXEMPLOS
1) Dado o circuito retificador de meia onda, calcule:
VP(carga) = ?
Vdc = ?
Imed = ?
DADOS:
RL= 20 ohms
VP = 17,96VAC
VP(carga) = VP - QD
VP(carga) = 17,96 - 0,7
VP(carga) = 17,26V
Vp(carga)
17,26
Vdc =
∏
∏
Vdc = 5,49V
Vdc =
IP =
VP
17,26
IP = 0,863Α
IP =
RL
20
Imed =
IP
0,863
Imed = 0,274Α
Imed =
∏
∏
Como é uma retificação meia onda,
a carga recebe picos de tensão
elevados, e opera com um valor
médio não estabilizado.
EXEMPLOS
2) Dado o circuito retificador de meia onda, calcule:
VP(carga) = ?
Vdc = ?
Imed = ?
Hz(out) = ?
DADOS:
RL= 10 ohms
VP = 16,97VAC
Hz(in) = 60
VP(carga) = VP - QD
VP(carga) = 16,97 - 1,4
VP(carga) = 15,57V
Vp(carga)
15,57
Vdc =
∏
∏
Vdc = 9,91V
Vdc =
IP =
VP
15,57
IP = 1,557 Α
IP =
RL
10
Imed =
Apesar de ser uma retificação de
onda completa, a carga ainda
recebe picos de tensão, a diferença
são a redução dos intervalos.
IP
1,557
Imed = 0,495Α
Imed =
∏
∏
Hz (out ) = 2 xHz (in) Hz (out ) = 2 x60 Hz (out ) = 120
Questionário
1.Explique com suas palavras qual o objetivo de utilização de um filtro na saída
de um retificador?
2.Tendo em vista a teoria estudada, que ocorre com a tensão média na carga
quando se coloca um capacitor em paralelo com a saída de um retificador?
3.Utilizando os conceitos de retificação explique o que é ondulação?
4.Qual a relação entre ondulação e qualidade de uma fonte retificadora?
5.Que fatores influenciam a ondulação?
6.Qual a tensão média na saída de um retificador de meia onda, com filtro,
submetido a uma tensão de entrada com Vmáx = 10 V para uma tensão de
ondulação de 1 V?
7.Que modo de operação deve ser utilizado em um osciloscópio para medição
precisa da tensão de ondulação na saída de uma fonte retificadora com filtro?
8.Por que se utilizam capacitores eletrolíticos na construção de fontes
retificadoras?
PASSOS PARA O PROJETO
(1) Especificação da carga: tensão e corrente de alimentação (com ripple incluso);
(2) Determinação do capacitor de filtro;
(3) Determinação das características do diodo: VBR e IDM;
(4) Determinação das características do transformador: relação de espiras e potência
do transformador.
TRABALHO
Projetar uma fonte de alimentação
1 - Entrada de 127VAC – 220VAC - 60 Hz;
2- Tensão de saída de (13,8VDC ± 0,2%);
3 - Para alimentar uma carga como consumo de 400 mA de corrente;
4 - Apresentar esquema elétrico;
5 - Layout da placa;
6 - Lista de componentes;
7 - Avaliação será executada no laboratório;