iii - conversor estático - Eletrônica Básica e Análise de Circuitos
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III - CONVERSOR ESTÁTICO É um sistema elétrico, constituído por elementos passivos (resistores, indutores e capacitores) e elementos ativos (interruptores), tais como diodos, tiristores, GTOs e triac’s, associados segundo uma regra preestabelecida. Podemos definir conversor estático, como sendo um dispositivo que transforma a corrente de um tipo em outra ou dispositivo para mudar uma freqüência para outra. Os conversores realizam o tratamento eletrônico da energia elétrica e são empregados para o controle da energia elétrica entre dois ou mais sistemas elétricos. As principais funções realizadas pelos conversores estáticos estão representadas no diagrama de bloco. Podemos citar dentre as várias aplicações dos conversores estáticos: Fonte estabilizada; Controle de motores C.C. ; Alimentação de segurança; Carregadores de baterias; Transmissão de corrente contínua; Controles de motores C.A. (síncrono e de indutância). Nesta primeira parte de nossos estudos enfocaremos os conversores retificadores. 3.1 RETIFICADORES ESTÁTICOS Dispositivo capaz de converter uma corrente alternada (C.A.) em uma corrente contínua unidirecional (C.C.) pulsativa e com alto nível de ruído psifométrico. Existe um grande número de aplicações que exigem a energia elétrica sob forma de C.C., tais como: alimentação de circuitos eletrônicos, eletrificação de ferrovias, carregadores de baterias, etc. Cada aplicação acima requer um determinado nível de potência em função do sistema e da carga que recebe a corrente contínua. Além disso, cada aplicação admite um determinado valor máximo de componente alternada (ripple) na tensão retificada. No projeto de fontes de alimentação C.C. de qualquer circuito eletrônico, devemos levar em conta diversos parâmetros, como a tensão C.C. necessária ao seu correto funcionamento, corrente máxima de carga e os tipos de transformadores, retificadores e capacitores adequados ao sistema tanto quanto ao desempenho quanto ao custo. Um dos fatores preponderantes no cálculo de uma fonte de alimentação, é a escolha do correto valor de um capacitor de filtro, devido a sua influência na limitação da tensão de ondulação residual ou ruído psifométrico (ripple), presente na saída dos retificadores; principalmente se esta fonte irá alimentar circuitos eletrônicos sensíveis à tensão de ondulação, prejudicando seu funcionamento. Em nossos estudos, analisaremos três regras para um correto dimensionamento de uma fonte de alimentação e com baixo custo: 1) Para as baixas potências, os retificadores monofásicos satisfazem às exigências de tensão e corrente para a maioria dos circuitos eletrônicos (corrente de carga 10A). 2) Para as cargas de alta potência, os circuitos mais adequados são os retificadores polifásicos, tendo em vista que estes circuitos possibilitam a obtenção de níveis mais elevados de tensão e corrente, com menor ondulação e com menor fator de utilização dos diodos retificadores (corrente de carga > 10A). 3) Para a escolha do correto valor do capacitor de filtro, adotamos: Equipamentos profissionais fator de ondulação (Ko) < 10%. Equipamentos não-profissionais fator de ondulação 10% KO < 25%. Os retificadores podem ser classificados: 1) Para as baixas potências, os retificadores monofásicos satisfazem às exigências de tensão e corrente para a maioria dos circuitos eletrônicos (corrente de carga 10A). 2) Para as cargas de alta potência, os circuitos mais adequados são os retificadores polifásicos, tendo em vista que estes circuitos possibilitam a obtenção de níveis mais elevados de tensão e corrente, com menor ondulação e com menor fator de utilização dos diodos retificadores (corrente de carga > 10A). 3) Para a escolha do correto valor do capacitor de filtro, adotamos: Quanto à forma de controle; Quanto à forma de retificação e configuração dos diodos; Quanto ao número de fases. CONVERSOR ESTÁTICO 45 Na ELETRÔNICA BÁSICA estudaremos os retificadores monofásicos não controlados de baixa potência e na ELETRÔNICA INDUSTRIAL os retificadores controlados e não controlados (monofásicos e polifásicos). Na tabela abaixo exemplificamos os tipos de retificadores. RETIFICADOR C.A/C.C TIPO DE RETIFICAÇÃO NÚMERO DE FASES TIPO DE CONTROLE NÚMERO DE DIODOS NÚMERO DE TIRISTORES MONTAGEM DA RETIFICAÇÃO MEIA ONDA 01 OU 02 NÃO CONTROLADO 01 00 CIRCUITO SÉRIE 01 OU 02 CONTROLADO 00 01 CIRCUITO SÉRIE 03 NÃO CONTROLADO 03 00 COM PONTO MÉDIO 03 CONTROLADO 00 03 COM PONTO MÉDIO 01 OU 02 NÃO CONTROLADO 04 00 PONTE DE GRAETZ 01 OU 02 CONTROLADO 00 04 PONTE DE GRAETZ 01 OU 02 CONTROLADO 04 00 PONTE DE GRAETZ C/ AMPLIFICADOR MAGNÉTICO 01 OU 02 SEMI CONTROLADO 02 02 PONTE DE GRAETZ 01 OU 02 NÃO CONTROLADO 02 00 CENTER-TAP OU PONTO MÉDIO 01 OU 02 CONTROLADO 00 02 CENTER-TAP OU PONTO MÉDIO 03 NÃO CONTROLADO 03 00 COM PONTO MÉDIO 03 NÃO CONTROLADO 06 00 PONTE DE GRAETZ 03 CONTROLADO 00 06 PONTE DE GRAETZ 03 SEMI CONTROLADO 03 03 PONTE DE GRAETZ ONDA COMPLETA Parâmetros Elétricos De Um Retificador: A) Tensão média de saída aproximada - VCCA É o valor médio da tensão de saída do retificador, considerando uma fonte de tensão ideal (Ri=0). B) Tensão média de saída - VCC É o valor médio da tensão de saída do retificador, considerando uma fonte de tensão real (Ri0), tensão disponível aos terminais da carga. C) Tensão contínua de pico - Vp É a máxima tensão C.C. na saída do retificador. D) Tensão contínua mínima - Vm É a mínima tensão C.C. na saída do retificador E) Corrente média de saída aproximada - ICCA É o valor médio da corrente de saída , considerando uma fonte de tensão ideal (Ri=0). F) Corrente média de saída - ICC É o valor médio da corrente de saída do retificador , considerando uma fonte de tensão real (Ri0), corrente disponível à carga. G) Tensão eficaz total de saída - VL É a tensão em RMS (Root Mean Square) na saída do retificador, com a carga conectada, cujo valor é medido utilizando um osciloscópio. CONVERSOR ESTÁTICO 46 H) Corrente eficaz total de saída - IL É a corrente em RMS na saída do retificador , com a carga conectada. I) Tensão de ondulação de saída em RMS - VCA É a tensão eficaz na saída do retificador cujo valor é medido com um voltímetro C.A. J) Tensão primária - VP É a tensão eficaz de alimentação do enrolamento primário do transformador. K) Tensão secundária - VS É a tensão eficaz nos terminais do enrolamento secundário do transformador. L) Freqüência de ondulação - Fo É a freqüência que ocorre à oscilação do sinal de saída do retificador. M) Fator de ondulação de saída - Ko É definido como sendo a relação entre a componente efetiva de C.A. e a componente média de C.C. na saída, dado em percentual. Para os retificadores de meia onda, este fator de ondulação corresponde a 120%, que é considerado um alto nível de ruído psifométrico. N) Potência média de saída - PCC É a potência média de saída do retificador, fornecida à carga. O) Potência média de entrada - Pent É a potência média fornecida à entrada do retificador. Para os retificadores que dispõem de transformador de entrada, a potência de entrada é a potência fornecida ao enrolamento primária do transformador. P) Eficiência do retificador - Indica o rendimento do processo de retificação. Os rendimentos máximos que podem ser apresentados pelos retificadores são: Meia-onda = 40,5%, Onda-completa 1= 81,1% e Onda-completa 3 = 95,5%). Q) Corrente direta no diodo retificador - IFD É a corrente média direta que circula pelo diodo retificador. R) Tensão inversa de pico – PIV É a máxima tensão inversa de pico, sobre os terminais dos diodos retificadores. S) Parâmetros do circuito retificador thevenizado: Aplicando o Teorema de Thevenin no circuito retificador, podemos representá-lo por um circuito retificador thevenizado. Resistência Thevenin – RTH É a resistência thevenin, vista pela fonte thevenin para alimentar a carga. Tensão Thevenin C.C. – VTH É uma fonte de tensão thevenin com resistência interna igual a zero (Ri=0), o valor desta tensão eqüivale à tensão média retificada de saída aproximada. Tensão Thevenin C.A. - vth É uma fonte de tensão thevenin C.A. com resistência interna igual a zero (Ri=0), o valor desta tensão eqüivale à tensão eficaz do enrolamento secundário (VS). Resistência dos enrolamentos do transformador As resistências dos enrolamentos variam em função da potência do transformador, quanto maior sua potência, menor será a resistência dos respectivos enrolamentos (resistência do enrolamento primário “RP” e resistência do enrolamento secundário “RS”). Para efetuar-se um cálculo com precisão, recomendamos medir o valor ôhmico dos enrolamentos, utilizando uma ponte “Wheatstone”. Resistência da fonte geradora – Rg É a resistência interna da fonte de energia, responsável pela alimentação do transformador. Para os retificadores ligados diretamente à rede de alimentação, faz-se Rg=0. Resistência dinâmica do diodo retificador – RFD É o valor ôhmico de cada diodo retificador durante o processo de retificação. Conforme estudos feitos no subitem 2.3 (B) , a resistência direta do diodo retificador (RFD), operando em C.A. pode ser determinada utilizando a equação da resistência dinâmica do diodo. RFD = 25 mV + rb ID CONVERSOR ESTÁTICO Meia-onda ID = ICCA Onda-completa ID = ICCA 2 47 Resistência ôhmica de carga – RL É o valor ôhmico da carga conectada à saída do retificador. Relação de espiras - (n) É a relação de espiras do transformador, calculada em relação ao número de espiras do secundário (NS) para o primário (NP). Pode também ser determinada, em relação à tensão secundária (VS) para a tensão primária (VP). FORMULÁRIO - RETIFICADOR SEM FILTRO PARÂMETROS MEIA - ONDA SERIAL CIRCUITO VCCA = VCCA = 1 2 0 VSmax senwt dt ONDA COMPLETA PONTE DE GRAETZ 1 0 VSmax senwt dt CENTER - TAP 1 0 VS1max senwt dt 0,45 x VS VCCA RL 0,9 x VS VCCA RL 0,9 x VS1 VCCA RL n= VS VP VS VP VS1 VP RTH = n2 ( RP + RG) + RS +RFD n2 ( RP + RG) + RS +2RFD n2 ( RP + RG) + RS/2 +RFD KA = RL . RL + RTH ____RL . RL + RTH ___RL . RL + RTH VCC = VCCA x KA VCCA x KA VCCA x KA vth = VS x 0,707 VS VS1 ICCA = VTH = VCCA VCCA VCCA VL = VL = 1,57 x VCC vth x KA 1,11 x VCC vth x KA 1,11 x VCC vth x KA IL = VL RL VL RL VL RL VCA= VS x KA x 0,545 VS x KA x 0,435 VS1 x KA x 0,435 VCA = VCC x 1,21 VCC x 0,483 VCC x 0,483 Fo = FENT 2 FENT 2 FENT Ko = VCA x 100 VCC VCA x 100 VCC VCA x 100 VCC PCC = VCC x ICC VCC x ICC VCC x ICC PENT VP x IL x n x 0,707 VP x IL x n VP x IL x n = KA x 40,5% KA x 81,1% KA x 81,1% = PCC x 100 PENT PCC x 100 PENT PCC x 100 PENT IFD = ICC ICC 2 ICC 2 PIV = VS x √2 VS x 2 (VS1 +VS2) x 2 KA Fator de atenuação da tensão de saída, determinado em função do divisor de tensão no circuito thevenizado (RL e RTH). CONVERSOR ESTÁTICO 48 FORMULÁRIO - RETIFICADOR COM FILTRO PARÂMETROS MEIA - ONDA CIRCUITO SERIAL PONTE DE GRAETZ CENTER - TAP VCCA = 1,41 x VS 1,41 x VS 1,41 x VS1 VCCA RL VS VP VCCA RL VS1 VP n ( RP + RG) + RS +2RFD n ( RP + RG) + RS/2 +RFD VCCA RL VS VP ICCA = n= RTH = KA = ONDA COMPLETA 2 n ( RP + RG) + RS +RFD RL RL + RTH 2 2 RL RL + RTH RL RL + RTH VCC = VCCA x KA VCCA x KA VCCA x KA VTH = VCCA VCCA VCCA VL = VCC VCC VCC ICC=IL = VCC RL VCC RL VCC RL Ko = VCA x 100 VCC VCA x 100 VCC VCA x 100 VCC VCA VCC x Ko x 0,01 VCC x Ko x 0,01 VCC x Ko x 0,01 Vm = Im = VCC - VCA Vm RL VCC - VCA Vm RL VCC - VCA Vm RL Fo = FENT 2 FENT 2 FENT PCC = VCC x ICC VCC x ICC VCC x ICC PENT VP x 1,41 x IL x n VP x 1,41 x IL x n VP x 1,41 x IL x n = PCC x 100 PENT PCC x 100 PENT PCC x 100 PENT IFD = ICC ICC 2 ICC 2 PIV = 2 x VS x 2 VS x 2 (VS1 +VS2) x 2 KA Fator de atenuação da tensão de saída, determinado em função do divisor de tensão no circuito thevenizado (RL e RTH). Fo Para um fator de ondulação Ko = 0%, a freqüência de ondulação assume também Fo = 0. 3.1.1 Retificador Não Controlado de Meia Onda Em função de seu alto nível de ruído psifométrico, sua aplicação se restringe a circuitos eletrônicos de comutação, circuitos elétricos de sinalização, iluminação e acionamento de motores em corrente contínua. Para os circuitos de iluminação e acionamento de motores, aplica-se o retificador de meia onda controlado, que tem a função de controlar o nível de iluminação e a velocidade dos motores. CONVERSOR ESTÁTICO 49 A) Retificador de meia-onda sem filtro: Cálculo Dos Parâmetros Elétricos: VCCA = 0,45 x 12V = 5,4V n= 12V = 0,1 120V 2 ICCA = 5,4V = 200mA 27 RDF = 25mV + 2 = 200mA RTH = 0,1 (50 + 0) + 1,1 + 2,12 = 3,72 KA = VCC = 5,4V x 0,88 = 4,75V ICC = 4,75V = 176mA 27 Fo = 60Hz vth = 12V x 0,707 = 8,484V VL = 8,48V x 0,88 = 7,46V VCA = 4,75V x 1,21 = 5,7 Ko = 5,75V x 100 = 121% 4,75V PENT = 120V x (276mA x 0,1) x 0,707 = 2,34W IFD = 176mA 2,12 27 = 0,88 27 + 3,72 IL = 7,46V = 276mA 27 Fo = 60Hz PCC= 4,75V x 176mA =836mW = 0,836W x 100 = 35,7% 2,34W PIV = 12V x 2 =16,97V A.1) Retificador de meia-onda com filtro: Para escolha do valor do capacitor de filtro, dependemos de cálculos morosos, envolvendo funções transcendentais que podem ser não satisfatoriamente atenuadas pela utilização de ábacos (que nem sempre temos à mão). Com pequenas simplificações poderemos facilitar este cálculo, como veremos a seguir: CONVERSOR ESTÁTICO 50 Desprezando-se o tempo de carga do capacitor de filtro, a tensão de ondulação (VCA) é dado por: VCA = VCC - VCC x e -T/RL x C1 ou VCA = Vp - Vm Onde a tensão média de saída retificada (VCC), pode ser considerada igual ou aproximadamente igual à tensão de pico de saída (Vp). VCC Vp T = período da forma de onda de saída do retificador T = 1 = 1 Fo 60Hz T = 1 = 1 Fo 120Hz = 16,67ms Retificador de meia-onda = 8,33 ms Retificador de onda-completa RL = valor ôhmico da carga C1 = valor do capacitor de filtro Expressando a equação da tensão de ondulação (VCA), como sendo a relação entre a componente efetiva de C.A. e a componente média de C.C., na saída do retificador, temos: VCA = 1 - e VCC - T/RL x C1 Podemos observar que para pequenos valores de T/RL x C1 a relação de ondulação tende a “zero”. Baseado neste fato pode fazer uma nova aproximação, na qual a margem de erro será absorvida pela tolerância do capacitor: T VCA VCC RL C1 C1 T VCA RL VCC Toda análise feita para o cálculo do capacitor de filtro, é aplicado também para os retificadores de onda-completa. Para o exemplo, considerando que se deseja projetar uma fonte de alimentação que opere com um fator de ondulação de Ko = 8%, temos: VCA = 0,08 VCC Logo: C1 16,67ms 7718 F 27 0,08 VPM = 10.000F Podemos observar, que, para os retificadores de meia-onda, torna-se inviável o dimensionamento do capacitor de filtro, devido ao seu alto valor de capacitância acompanhado de um alto custo. Para este tipo de aplicação são utilizados os capacitores eletrolíticos. CONVERSOR ESTÁTICO 51 Cálculo dos parâmetros elétricos: VCCA 12V 2 16,97V ICCA n = 12V = 0,1 120V RDF = 2 16,97V 628mA 27 25mV + 2 = 628mA 2,04 RTH = 0,1 (50 + 0 ) + 1,1 + 2,04 = 3,64 VTH = VCCA = 16,97V KA = VCC = 16,97V x 0,88 = 14,93V 27 = 0,88 27 + 3,64 ICC = 14,93V = 553mA 27 VL = VCC = 14,93V IL = ICC = 553mA VCA = 14,93V x 0,08 = 1,19V Ko = 1,19V x 100 = 8% 14,93V Vm = 14,93V - 1,19V = 13,74V Im 13,74V 508,8mA 27 PCC 14,93V 553mA 8,26W PIV = 2 VS 2 33,94V Pent 120v 2 553mA 0,1 9,38W 8,26W 100 88% 9,38W Podemos observar que o retificador de meia onda quando dimensionado com filtro de ripple, sua tensão de ondulação residual é reduzida bruscamente, enquanto que o rendimento ( ) do processo de retificação cresce subitamente, aproximando de um rendimento ideal. 3.1.2 Retificador Não Controlado Em Onda Completa A) Configuração Ponte de Graetz Sem Filtro: Em função de seu baixo nível de ruído psifométrico, apresenta uma grande utilização em circuitos eletrônicos. Possui um fator de ondulação do sinal de saída de 48,3%, podendo ser reduzido com a utilização de filtros (capacitores e indutores) na saída do retificador e apresenta um rendimento máximo de 81,1%. O semiciclo indicado no circuito retificador mostra D1 e D2 em estado de condução, D3 e D4 em estado de corte. No semiciclo seguinte D1 e D2 entra em estado de corte, D3 e D4 passa para o estado de condução. CONVERSOR ESTÁTICO 52 Cálculo Dos Parâmetros Elétricos : VCCA = 0,9 x 12V = 10,8V n = 12V = 0,1 120V 2 ICCA = 10,8V = 400mA 27 RDF = 25mV + 2,0 = 2,125 200mA RTH = 0,1 (50 + 0) + 1,1 + (2 x 2,125) = 5,85 KA = VCC = 10,8V x 0,82 = 8,86V ICC = 8,86V = 328mA 27 vth = 12V 27 = 0,82 27 + 5,85 VTH = 10,8V VL = 12V x 0,82 = 9,84V IL = 9,84V / 27 = 364mA VCA = 8,86V x 0,483 = 4,28V VP = 16,97V x 0,82 = 13,91V IP = 13,91V/27 = 515mA Fo = 2 x 60Hz = 120Hz Ko = 4,28V x 100 = 48,3% 8,86V PCC = 8,86V x 328mA = 2,91W PENT = 120V x 364mA x 0,1 = 4,37W = 2,91W x 100 = 66,59% 4,37W IFD 328mA 164mA 2 PIV 12 2 16,97 V A.1) Configuração Ponte de Graetz Com Filtro: Apesar da configuração apresentar um baixo nível de ruído psifométrico (Ko = 48,3%), para os circuitos eletrônicos sensíveis à tensões de ondulação, este nível de ruído passa a ser prejudicial ao seu funcionamento. Como exemplo, iremos reduzir este fator de ondulação de Ko = 48,3% para Ko = 8%. CONVERSOR ESTÁTICO 53 Sendo o retificador em onda completa, a freqüência de ondulação Fo = 120Hz, e o período da forma de onda na saída do retificador será: T = 1 = 1 = 8,33ms Fo 120Hz C 8,33ms = 3.856F 27 x 0,08 VPM = 4700F Cálculo dos Parâmetros Elétricos: VCCA = 12V x 2 = 16,97V n = 12V = 0,1 120V 2 ICCA = 16,97V = 628mA 27 RDF = 25mV + 2 = 2,08 314 mA RTH = 0,1 (50 + 0) + 1,1 + 4,16 = 5,76 VTH = VCCA = 16,97V KA = VCC = 16,97V x 0,82 = 13,91V 27 = 0,82 27 + 5,76 ICC = 13,91V = 515mA 27 VL = VCC = 13,91V IL = ICC = 515mA VCA = 13,91V x 0,08 = 1,11V Ko = 1,11 x 100 = 8% 13,91V Vm = 13,91V - 1,11V = 12,8V Im = 12,8V = 474mA 27 PCC = 13,91V x 515mA = 7,16W Pent = 120V x 2 x 515mA x 0,1 = 8,74W = 7,16W x 100 = 81,9% 8,74W Podemos observar que o retificador de onda completa quando dimensionado com filtro de ripple, sua tensão de ondulação é reduzida bruscamente, enquanto que o rendimento () do processo de retificação cresce gradativamente, aproximando de um rendimento ideal. B) Configuração Center - Tap Sem Filtro Esta configuração, também, apresenta um baixo nível de ruído psifométrico e possui uma grande utilização em circuitos eletrônicos. Apresenta as mesmas características do retificador em ponte, com um fator de ondulação de 48,3% e rendimento máximo de 81,1%.Tem como vantagem em relação a configuração em ponte: Utilização de apenas dois (02) diodos retificadores; Menor resistência thevenin; Melhor rendimento. Tem como desvantagem uma tensão reversa maior sobre os diodos retificadores. O semiciclo indicado no circuito retificador mostra D1 em estado de condução, D2 em estado de corte, e o secundário “S1” alimenta a carga via D1. No semiciclo seguinte D1 e D2 trocam de estado e o secundário “S2” entra em serviço, alimentando a carga via D2. Para a configuração “Center - Tap”, a relação de espiras do transformador é dado em relação a um dos enrolamentos, (número de espiras do enrolamento S1 = número de espiras do enrolamento S2), pois cada metade do enrolamento secundário é responsável por um dos semiciclos, sendo assim definimos “n“ como sendo: n = VS1 = VS2 = NS1 = NS2 , onde: NP e NS número de espiras dos enrolamentos VP VP NP NP CONVERSOR ESTÁTICO 54 Cálculo dos Parâmetros Elétricos: VCCA = 0,9 x 12V = 10,8V n= 12V = 0,1 120V 2 ICCA = 10,8V = 400mA 27 RFD = 25 mV + 2,0 = 2,125 200mA RTH = 0,1 (50 + 0) + 2,2 + 2,125 = 3,72 2 KA = VCC = 10,8V x 0,88 = 9,50V ICC = 9,50V = 352mA 27 vth = 12V VTH = 10,8V VL = 12V x 0,88 = 10,56V IL = 10,56V = 391mA 27 VP = 16,97V x 0,88 = 14,93V IP = 14,93V/27 = 553mA VCA = 9,50V x 0,483 = 4,59V Fo = 2 x 60Hz = 120Hz Ko = 4,59V x 100 = 48,3% 9,50V PCC = 9,50V x 352mA = 3,34W PENT = 120V x 391mA x 0,1 = 4,69W = 3,34W x 100 = 69% 4,69W IFD 352mA 176mA 2 27 = 0,88 27 + 3,72 PIV ( 12V 12V ) 2 33,9 4V B.1) Configuração Center-Tap Com Filtro: Apesar da configuração apresentar um baixo nível de ruído psifométrico (Ko = 48,3%), para os circuitos eletrônicos sensíveis à tensões de ondulação, este nível de ruído passa a ser prejudicial ao seu funcionamento. Como exemplos, iremos reduzir este fator de ondulação de Ko = 48,3% para Ko = 8%. CONVERSOR ESTÁTICO 55 Cálculo dos Parâmetros Elétricos: VCCA = 12V x 2 = 16,97V n = 12V = 0,1 120V 2 ICCA = 16,97V = 628mA 27 RDF = 25mV + 2 = 2,08 314mA RTH = 0,1 (50 + 0) + 1,1 + 2,08 = 3,68 VTH = VCCA = 16,97V KA = VCC = 16,97V x 0,88 = 14,93V 27 = 0,88 27 + 3,68 ICC = 14,93V = 553mA 27 VL = VCC = 14,93V IL = ICC = 553mA VCA = 14,93V x 0,08 = 1,19V Ko = 1,19V 14,93V Vm = 14,93V - 1,19V = 13,74V x 100 = 8% Im = 13,74V = 508,8mA 27 PCC = 14,93V x 553mA = 8,26W Pent = 120V x 2 x 553mA x 0,1 = 9,38W PIV ( 12V 12V ) IFD 352mA 176 mA 2 2 33,94 V 8,26W 100 88% 9,38W NOTA : Para o retificador de onda-completa em Center-tap com filtro, sua tensão de ondulação é reduzida bruscamente, enquanto que o rendimento () do processo de retificação cresce gradualmente, aproximando de um rendimento ideal. O retificador em Center-tap apresenta um melhor desempenho (maior rendimento), que o retificador em Ponte-de-Graetz; isto se deve ao fato, do retificador em Center-tap apresentar uma menor resistência dinâmica dos componentes ativos, envolvidos no processo de retificação. CONVERSOR ESTÁTICO 56 3.2 EXERCÍCIOS TEÓRICOS – CAP. III 1) Dê a definição de conversor estático? 2) Quais são os seis tipos de conversores de energia elétrica? 3) O que é um retificador estático e cite sua maior aplicação? 4) O que é um conversor inversor e dê uma aplicação do mesmo? 5) O que é um conversor CHOPPER e dê uma aplicação do mesmo? 6) Dê as características de um retificador de alta e baixa potência? 7) Como selecionamos um retificador profissional e não-profissional? 8) Quais são as formas de se classificar os retificadores estáticos? 9) Esquematizar e explicar o funcionamento de um conversor retificador de onda-completa, monofásico em configuração center-tap? 10) O que é fator de ondulação, de saída de um retificador? 11) Para realizar uma análise teórica rápida de um circuito retificador, torna-se necessário um circuito simplificado do retificador. Qual o nome do circuito e qual o teorema aplicado no levantamento do circuito? 12) Em um circuito retificador que apresenta uma constante de ondulação de 0%, quanto vale sua freqüência de ondulação? 13) Nos retificadores de onda-completa sem filtro, quanto vale a freqüência de ondulação de saída? 14) Entre as duas configurações de retificadores em onda-completa, qual delas apresenta maior rendimento? Porque? 15) Porque, que os retificadores de meia-onda não tem grandes aplicação na alimentação de circuitos eletrônicos? 16) Quais são os parâmetros elétricos do transformador, que interfere bruscamente no rendimento do retificador? 17) O fator de ondulação de saída de um retificador com filtro, depende diretamente de um parâmetro do sinal de saída. Qual é esse parâmetro e quais os outros parâmetros que interfere inversamente no fator de ondulação? 18) Dê a correspondência: (a) Onda-completa, 2 diodos ( ) Retificador controlado serial (b) Meia-onda ( ) Retificador estático profissional (c) Onda-completa, 4 diodos ( ) Retificador semicontrolado center-tap (d) Onda-completa, 3 ( ) Retificador controlado Ponte-de-Graetz (e) Onda-completa, 1 ( ) Retificador sem filtro onda-completa (f) Meia-onda, 1 tiristor ( ) Retificador semi-controlado Ponte-de-Graetz (g) Onda-completa, 1diodo e 1 tiristor ( ) Retificador não-controlado Ponte-de-Graetz (h) Onda-completa, 4 tiristores ( ) Rendimento máximo = 81,1% (i) Onda-completa, 2 diodos e 2 tiristores ( ) Rendimento máximo = 95,5% (j) Onda-completa, KO = 48% ( ) Rendimento máximo = 40,5% (k) Onda-completa, KO 10% ( ) Retificador não-controlado center-tap CONVERSOR ESTÁTICO 57 3.3 EXERCÍCIOS DE CÁLCULOS – CAP. III 1) Calcular a tensão média sobre os terminais da carga, o rendimento do processo de retificação e o fator de ondulação na carga. 2) Calcular a tensão média sobre os terminais da carga, o rendimento do processo de retificação e o fator de ondulação na carga. 3) Calcular a tensão média sobre os terminais da carga, o rendimento do processo de retificação e o fator de ondulação na carga. 4) Determinar o valor ôhmico da carga RL, para que a tensão média de saída seja de 13V e calcular o rendimento do processo de retificação para uma resistência thevenin de 3,5. 5) No circuito abaixo, calcular a tensão média C.C. nos terminais da carga., rendimento do processo de retificação e o fator de ondulação. 6) No circuito abaixo, calcular a tensão média C.C. nos terminais da carga, o rendimento do processo de retificação e o fator de ondulação. CONVERSOR ESTÁTICO 58 7) Para o circuito abaixo, dimensionar o capacitor para um fator de ondulação de 12%. 8) Para o circuito abaixo, dimensionar o capacitor para um fator de ondulação de 4%. 9) Para a fonte de alimentação esquematizada abaixo, dimensionar o regulador zener para uma fonte FFCF em 7,5V. 10) Para a fonte de alimentação esquematizada abaixo, dimensionar o regulador zener para uma fonte FFCV em 9,1V. 11) Projetar um conversor CA/CC meia-onda monofásico sem filtro, para alimentar uma carga de 150 em 12V. Utilizar um transformador de 120V/12V com 50/1,6. Montar o diagrama esquemático e circuitos equivalentes thevenin C. A / C.C., desenhar formas de onda do sinal de saída e efetuar memória de cálculos envolvendo todos os parâmetros elétricos do conversor. 12) Projetar um conversor CA/CC onda-completa sem filtro em configuração ponte de graetz para alimentar uma carga de 150 em 12V. Utilizar um transformador de 120V/12V com 50/1,6. Montar o diagrama esquemático e circuitos equivalentes thevenin C. A / C.C., desenhar formas de onda do sinal de saída e efetuar memória de cálculos envolvendo todos os parâmetros elétricos do conversor. 13) Projetar um conversor CA/CC meia-onda monofásico com um regulador zener, para alimentar uma carga de 150 em 12V com um ripple de 5%. Utilizar um transformador de 120V/12V com 50/1,6. Montar o diagrama esquemático e circuitos equivalentes thevenin C. A / C.C., desenhar formas de onda do sinal de saída e efetuar memória de cálculos envolvendo todos os parâmetros elétricos do conversor. 14) Projetar um conversor CA/CC onda-completa em configuração ponte de graetz com um regulador zener, para alimentar uma carga de 150 em 12V com um ripple de 5%. Utilizar um transformador de 120V/12V com 50/1,6. Montar o diagrama esquemático e circuitos equivalentes thevenin C. A / C.C., desenhar formas de onda do sinal de saída e efetuar memória de cálculos envolvendo todos os parâmetros elétricos do conversor. 15) Projetar um conversor CA/CC onda-completa em configuração center-tap com um regulador zener, para alimentar uma carga de 150 em 12V com um ripple de 5%. Utilizar um transformador de 120V/12V + 12V com 50/1,6 + 1,6 . Montar o diagrama esquemático e circuitos equivalentes thevenin C. A / C.C., desenhar formas de onda do sinal de saída e efetuar memória de cálculos envolvendo todos os parâmetros elétricos do conversor. CONVERSOR ESTÁTICO 59
