Guia do trabalho pratico nº1, Electrónica I, Engenharia de Sistemas

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Universidade do Algarve, FCT, ADEEC, Henrique Leonel Gomes
Lab. 2
Electrónica I, ano lectivo 2002/2003
Engenharia de Sistemas e Computação
Engenharia Física Tecnológica
Circuitos rectificadores e filtros RC
Material
Diodo de silício 1N914 ou equivalente
Resistências: 100 , 1K, 10 K.
Condensadores de 10 nF, e de 100F
Introdução
Este trabalho faz uma introdução à operação de circuitos rectificadores e reguladores
de tensão. Iniciando com uma tensão ac, obtem-se uma tensão dc estacionária por meio
da rectificação deste sinal de entrada. Depois é realizada a filtragem para um nível dc, e,
finalmente, o sinal é regulado para se obter na saída o nível desejado de tensão dc. Em
geral, a regulação é feita por um circuito integrado regulador de tensão, que recebe uma
tensão dc e fornece um nível ligeiramente menor, o qual permanece constante, mesmo
que a tensão de entrada varie, ou a carga ligada à saída do circuito varie de valor.
A Figura 1 representa um digrama de blocos mostrando os vários estágios de uma
fonte de tensão típica, e a forma de onda nos vários pontos do circuito. A tensão ac,
normalmente 220 V, alimenta um transformador, cuja a função é reduzi-la para o nível
de tensão desejado. Díodos rectificadores fornecem, então, uma tensão rectificada de
onda completa, que é inicialmente filtrada por um condensador simples para produzir
uma tensão dc. Esta tensão dc resultante ainda possui algum “ripple” ou variação ac. O
circuito regulador pode aproveitar esta entrada dc para produzir uma tensão dc que não
só possui menos “ripple” como ainda mantém constante o nível de saída, mesmo para
variações na entrada ou na carga que está ligada. Esta regulação é via de regra, obtida,
utilizando-se um circuito integrado. Este circuitos integrados não serão abordados nesta
disciplina. Pode encontrar mais informações sobre estes circuitos na referência [1].
Rectificador
com díodos
Filtro
Regulador
Carga
Figura 1. Diagrama de blocos apresentando os estágios de uma fonte de tensão.
Considerações gerais sobre filtros.
O circuito rectificador converte um sinal com um valor médio nulo em um sinal com
um valor médio diferente de zero. A saída resultante de um rectificador é uma tensão dc
pulsada, que ainda não seria adequada para alimentar uma carga. Esta tensão poderia ser
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utilizada, por exemplo, em um carregador de baterias, onde a tensão dc média é
suficientemente grande para proporcionar uma corrente de carga para a bateria.
Entretanto, como tensão dc para ser utilizada em rádios, aparelhos de som, e
computadores, não seria de maneira alguma a indicada. É necessário um filtro para que
a tensão dc de saída da fonte seja mais estável.
Antes de entrarmos em detalhes sobre o circuito de filtragem, seria mais apropriado
considerar os métodos usuais de análise de filtros, de forma que possamos comparar a
eficiência de um circuito actuando como filtro. A Figura 2 mostra uma tensão de saída
típica de um filtro, servirá como exemplo para definirmos alguns dos factores
considerados no sinal. A saída filtrada da Figura 2 apresenta um nível dc e alguma
variação ac “ripple”. Quanto menor for a variação ac comparada ao nível dc, melhor é a
operação de filtragem.
Ripple
Tem o mesmo
declive
Figura 2. Forma de onda de saída de um filtro rectificador, mostrando o nível dc e a
tensão de ripple. (a) rectificador de meia onda, (b) rectificador de onda completa. (c)
Tensão de ripple Vr.
Existem vários parâmetros para classificar a qualidade de um filtro, um deles é o
factor de ripple. Define-se factor de ripple (FR) como:
FR 
V
Tensão de ripple
 r  100%
Tensão média na carga Vdc
Existen outros parâmetros, como seja a regulação de tensão. Este tema é importante
para o desenho de fontes de alimentação e não será estudado nesta disciplina. O curiosos
podem consultar a referência [1].
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Filtro com condensador
O circuito de filtro mais popular é o que utiliza um simples condensador, como o
representado na Figura 3. Um condensador é ligado à saída do rectificador, e uma tensão
dc é obtida nos terminais do condensador.
Circuito
rectificador
C
Carga
Figura 3. Filtro com um único condensador.
A Figura 4, mostra a forma de onda existente nos terminais de um rectificador com
condensador. O tempo T1 é o tempo durante o qual os díodos rectificadores de onda
completa conduzem, carregando o condensador até a tensão de pico do rectificador, Vm.
O tempo T2 é o intervalo de tempo durante o qual a tensão de pico do rectificador desce
abaixo da tensão de pico, e o condensador descarrega através da carga. Como o ciclo de
carga-descarga ocorre para cada meio ciclo, isto para um rectificador de onda completa,
o período da forma de onda rectificada é T/2, metade do período do sinal de entrada. A
tensão filtrada, como mostra a Figura 4, representa uma forma de onda na saída com um
nível dc, Vdc e uma tensão de “ripple” Vr (rms), resultado da carga e descarga do
condensador.
Figura 4. Forma da tensão e saída de um rectificador de onda completa com
condensador.
Período de condução do díodo e corrente de pico do díodo.
Da discussão anterior, deve ficar claro que quanto maior o valor do condensador,
menor é o “ripple”, e maior é a tensão média na saída, resultando em melhor filtragem.
Daí se poderia concluir que para melhorar a performance de um filtro, é necessário
somente aumentar o tamanho do condensador. O condensador entretanto, também afecta
a corrente de pico que passa através dos díodos, e como quanto maior o valor do
condensador, maior é a corrente através dos díodos.
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Lembre-se que os díodos conduzem durante o período T1 (ver Figura 4), quando o
díodo deve fornecer a corrente média necessária para carregar o condensador. Quanto
menor este intervalo de tempo, maior tem de ser a corrente de carga. A Figura 4 mostra
esta relação para um sinal rectificado de meia onda. Observe que para valores menores
do condensador, com T1 maior, a corrente de pico do díodo é menor do que para valores
mais elevados dos condensadores.
Figura 5. Tensão de saída e forma de onda da corrente no díodo
(a) pequeno C; (b) grande C.
Este pulso intenso de corrente pode colocar alguns problemas no desenho de
circuitos rectificadores. Por exemplo, considere o circuito representado na Figura 6, que
vai usar no decorrer deste trabalho. Aumentar a resistência Rf provoca uma atenuação na
tensão de saída Vo. É importante também notar que se Rf é muito pequena a corrente
através do díodo aumenta, e o díodo pode queimar. Portanto tem de se arranjar uma
solução de compromisso, fazer Rf pequena de forma a não atenuar muito o sinal de
saída, mas não tão pequena de forma que continue a proteger o díodo dos picos de
corrente.
Experimental
Nas experiências que se seguem é importante ter presente algumas das
expressões que deduziu nas aulas teóricas, em concreto como varia a tensão de ripple
em função da frequência e dos componentes do circuito.
Para um rectificador de meia onda temos que:

1 
VO rect.
Vdc  1 
 2 fRC 
 1 
VO rect.
Vr  p  p   
 fRC 
E1 - Monte o circuito representado na Figura 6. Use um díodo de silíco (1N914 ou
equivalente). Escolha valores que lhe pareçam razoáveis para Rf e RL e C. (comete as
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suas escolhas no seu caderno de engenheiro). Varie a frequência do sinal na entrada e
observe a forma de onda na saída.
Rf
Vo
1 KHz
RL
C
Figura 6. Circuito rectificador de meia onda.
E2 – Dimensione C de modo a obter uma ondulação máxima de tensão de 0.5 V,
quando a tensão de saída média é igual a 2.2 V, e o valor máximo da corrente média na
resistência de carga RL não deverá exceder 1 mA. A frequência do sinal sinusoidal de
entrada Vi deverá ser igual a 1 KHz.
Para além de funcionar com rectificador, o circuito que acabou de estudar tem
aplicações interessantes na área das telecomunicações, leia com atenção o exemplo no
fim deste guia.
E3- Monte o circuito representado na Figura 7.
a) Observe e explique o sinal aos terminais da resistência
b) Ligue um condensador C (10 nF) em paralelo com R (10 K). Variando a
frequência do sinal de entrada, observe e explique a forma de onda da saída.
c) Projecte um filtro que minimize o “ripple”. Meça o valor experimental do
“ripple” e compare com os valores estimados teóricamente.
Figura 7. Rectificador de onda completa.
Nota importante: Para observar a rectificação de onda completa realizada pelo
circuito representado na Figura 7, deve desligar o osciloscópio da terra. Peça ao
Professor para fazer esta operação, e verificar se não existe risco para os alunos.
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Exemplo de uma aplicação de díodos e filtros em
telecomunicações (detector da envolvente).
Nesta experiência vamos trabalhar com o conceito de modulação, um processo
usado em telecomunicações para transmitir sinais através de ondas de radio. Depois de
obter uma onda modulada, vamos utilizar os conhecimentos sobre díodos e circuitos RC
para fazer a desmodulação e recuperar a forma de onda original.
Sinais de baixa frequência como os da voz humana ou musica (sinais áudio), não
podem ser transmitidos de forma eficiente pela atmosfera. Em contraste, ondas de alta
frequência (Isto é acima dos 100 kHz) são transmitidos de forma eficiente a longas
distâncias. Ondas com estas frequências são usadas pelas estações de rádio, e são
chamadas ondas de Rádio-Fequência (RF).
Um modo de transmitir a informação de um sinal de áudio numa onda de RF é
através da modulação da amplitude dessa onda. Vamos trabalhar com um tipo particular
de modulação a que chamamos modulação em amplitude ou AM. De forma entender
este processo, considere os sinais representados na Figura 8. O sinal (a) é um sinal
áudio. O sinal (b) é o sinal de RF e é chamada a portadora. O sinal em (c) é o sinal de
RF modulado em amplitude pelo sinal áudio. Este é o sinal gerado por um transmissor
de rádio.
(a) Sinal áudio
(b) Portadora
(c) Sinal modulado
Figura 9. Modulação em amplitude.
Quando estas ondas atingem a antena do receptor, geram uma tensão na entrada
do receptor. Para recuperar o sinal áudio original do sinal (c) precisamos encontrar um
meio de não seguir os picos individuais da portadora, mas apenas os picos da envolvente
que correspondem ao sinal áudio original. Para ver como isto pode ser feito considere o
circuito na Figura 10 que já estudou na experiência E1. Observamos que quando o
circuito é alimentado por um sinal ac, obtem-se na saída um sinal quase contínuo. Por
outro lado se o valor da amplitude do sinal varia lentamente, a saída também varia
lentamente. Assim se o circuito receber à entrada um sinal modulado em amplitude
vamos ter na saída o sinal representado na Figura 10b . Nesta experiência deve ser usado
um díodo de germânio que tem uma tensão de arranque de 0.2 V.
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A saída do circuito representado na Figura 10b tem o sinal áudio desejado,
deslocado de uma determinada componente dc. O que precisamos fazer agora é remover
esta componentes dc e amplificar o sinal. Estas duas operações podem ser feitas pelo
circuito amplificador que terá a oportunidade de estudar mais tarde.
Figura 10. Exemplo de como o sinal áudio pode ser recuperado.
Na prática um receptor rádio AM pode ser feito usando os blocos representados
na Figura 11. O primeiro bloco é um circuito LC que faz a sintonia do sinal RF
modulado e emitido pela estação emissora. O segundo bloco é o chamado detector da
envolvente, e os andares seguintes são de amplificação.
Pré-amplificador
Amplificador
de potência
Figura 11. Diagrama de blocos de um circuito receptor AM.
Referências
[1] Capítulo 19 do livro “Dispositivos electrónicos e teoria de circuitos”, Robert
Boylestad e Louis Nashelsky, Prentice Hall, (Existe uma cópia na biblioteca.)
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