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Aula03 Indice de Aulas Aula05
Eletrônica Básica 1
Aula 04: Retificador de Meia Onda
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L. F. Eletronica Analogica. V2. São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA, A. Microeletronica
SEDRA, A. Microeletronica
1 Conversores de CA para CC
São circuitos que transformam uma tensão alternada, no caso mais comum senoide, em tensão continua. A Figura 1 mostra em blocos o conversor CA/CC, tambem chamado de Fonte de Alimentação.
Figura 1 - Conversor CA/CC em diagrama de blocos
Os principais blocos de um conversor de CA para CC são:
- O transformador: tem a finalidade de fornecer a tensão CA adequada, em geral para um valor menor;
- O retificado: tem a finalidade de transformar a tensão alternada em pulsante de uma unica polaridade;
- O filtro: diminui o ripple da tensão na saida do retificador, no caso mais simples é um filtro capacitivo, mas pode ter indutor tambem;
- O regulador: tem por finalidade diminuir mais ainda o ripple e atraves de circuitos eletronicos com realimentação fazer a tensão constante independente de variações na entrada.
Teoricamente a tensão na saída deve ser perfeitamente continua , mas na pratica existe uma ondulação ou ripple. Uma medida da eficiência desses circuitos é
dada pelo fator de ripple (γ) definido como sendo:
A Figura 2 mostra uma forma de onda senoidal variando ao redor de um nivel DC (Offset). A tensão na Figura 2 pode ser escrita matematicamente por:
v(t)=8+1.sen(ω.t)
Neste exemplo o valor eficaz da ondulação vale = 1/1,41=0,707 V
O valor medio vale = 8 V
logo o fator de ripple vale:
Figura 2 - Forma de onda senoidal com offset (nivel DC) - ripple
Arquivo Falstad
2 Retificador de Meia onda com Carga Resistiva
Os circuitos eletrônicos necessitam para o seu perfeito funcionamento que sejam alimentados com tensão contínua. A tensão que é disponibilizada pela concessionária de força e luz é alternada, desta forma será necessário converter a tensão AC em tensão DC. Os circuitos que fazem isso são chamados de retificadores, que juntamente com os filtros e reguladores de tensão permitem que uma tensão alternada seja convertida em uma tensão continua.
No circuito da Figura 3a, no semiciclo positivo o diodo conduz se Ve>=0,7V (modelo bateria) logo a tensão na carga terá com valor de pico igual a Vep-0,7 conforme figura 3d.
No circuito da Figura 3a, no semiciclo positivo o diodo conduz se Ve>=0,7V (modelo bateria) logo a tensão na carga terá com valor de pico igual a Vep-0,7 conforme figura 3d.
Se Ve<0,7V. o diodo não conduz logo a tensão de saida será zero e a tensão no diodo é negativa.
Figura 3 - ( a ) Circuito retificador de meia onda - ( b ) tensão de entrada ( c ) Tensão no diodo ( d ) Tensão na carga
A figura 4 mostra a condição da entrada para o diodo conduzir e cortar.
Figura 4 - Funcionamento do circuito considerando o modelo bateria
Observe que o diodo só conduz quando a tensão de entrada é positiva (semiciclo positivo), pois nessas condições o diodo estará polarizado diretamente. Para a forma de onda da saída interessa saber o seu valor médio (valor contínuo - valor medido por um voltímetro para CC). Se o valor de pico da senóide (vide curso de CA) de entrada é Vpico=VM, o valor médio da tensão na carga será dado por:
VDC=Vpico/p ou considerando o modelo com bateria VDC=(Vpico - 0,7V)/p
Obs: A tensão média (VDC) é a tensão medida por um voltímetro CC
Para essa mesma forma de onda o seu valor eficaz (tensão medida por um voltimetro True RMS) é dada por:
VRMS =Vp/2 ou considerando o modelo com bateria VRMS =(Vp- 0,7V)/2
O fator de ripple do circuito vale 1,21 ou 121% ainda é muito alto
Dimensionamento do diodo
Os principais limites do diodo são: Maxima tensão reversa (VRRM) e maxima corrente continua (IAV) que são obtidos de uum Data Sheet.
No caso do retificador de meia onda a maxima tensão que o diodo vai ser submetido é Vp=VM=Vpico e a máxima corrente continua é chamada de IAV.
A Tabela 1 mostra um pedaço de um Data Sheet com limites do diodo para 3 diodos (1N4001, 1N4002 e 1N4003)
Tabela 1 - Caracteristicas elétricas e limites maximos
Exercício Resolvido 1
Dimensionar o diodo no circuito, iso é, calcular qual a maxima tensão reversa aplicada no diodo e a corrente media na carga.
Arquivo Falstad
Solução: Para essa tensão, 12Vrms, o valor de pico vale: Vep=12x1,41=17V, logo a maxima tensão reversa no diodo será 17V.
A tensão media na carga vale:
A corrente media na carga que é igual a corrente media no diodo vale:
Portanto pode ser usado qualquer um dos diodos da tabela, pois IAV=1A > ICC=51,9mA e VRRM=50V (mínimo)>17V
Influencia da Amplitude Entrada
Se a amplitude de pico da senoide for da ordem de grandeza da barreira de potencial (0,7 V) a tensão na carga não começa no mesmo instante que a tensão de entrada, alem disso as amplitudes das duas tensões serão visivelmente diferentes. A Figura 5 mostra esse efeito. Neste caso no calculo da tensão media e eficaz deve ser descontado 0,7 V no valor de pico da tensão na carga. Conclusão, o valor medio calculado da tensão difere muito do valor real medido.
Use o arquivo de simulação do Falstad para verificar isso calculando o erro percentual entre o valor calculado e o valor medido para dois valores de tensão de entrada 5Vpico e 50Vpico.
Arquivo Falstad - Vepico=5V
Arquivo Falstad - Vepico=50V
Arquivo Falstad - Vepico=50V
Figura 5 - Formas de onda de entrada e saída quando a entrada é da ordem de grandeza da barreira de potencial
Entrada: Vermelha Saida: Azul
Entrada: Vermelha Saida: Azul
3 Retificador de meia onda com filtro capacitivo
O retificador estudado apresenta um Fator de Ripple muito alto não podendo ser usado na pratica. Para diminuir o Fator de Ripple são adicionados elementos reativos (indutor e capacitor) apos o retificador. Por simplicidade somente serão analisados os filtros com capacitor, Figura 6a.
A colocação de um capacitor em paralelo com a carga melhora o desempenho do circuito através da diminuição do ripple (flutuação da tensão ao redor de um valor médio) e do aumento na tensão contínua (para um mesmo valor de tensão alternada). A Figura 6a mostra o circuito e as formas de onda, Figura 6b, em um retificador de meia onda com filtro capacitivo.
Figura 6 - ( a ) Retificador de meia onda com filtro capacitivo ( b ) Formas de onda de entrada (azul) e saida (vermelho)
Funcionamento
No inicio, quando o circuito é ligado a primeira vez e o capacitor está descarregado, a tensão no capacitor é praticamente igual à tensão de entrada. Quando a tensão de entrada atingir o valor de pico, logo em seguida a tensão de entrada começa a diminuir, mas a tensão no capacitor demora a diminuir, portanto nesse instante a tensão no capacitor será maior que a de entrada fazendo o diodo cortar nesse instante. O capacitor começa a perder carga atraves da resistencia de carga RL, sendo uma descarga exponencial Intervalo de tempo T2 na Figura 6.
Apos um determinado tempo a tensão de entrada fica novamente maior que a tensão de saida (tensão no capacitor). Nesse instante o diodo volta a conduzir fazendo o capacitor recuperar a carga perdida. O processo se repete, e quando a tensão de entrada atingir Vpico, novamente o diodo volta a cortar. A forma de onda na carga , VL, é a forma de onda em vermelho na Figura 6. Observe que a tensão na carga não mais atinge zero, o que aumenta a tensão media (VCC, VDC ou VAV).
A ondulação de pico a pico ou Ripple depende basicamente da corrente consumida pela carga (Vp/R), da frequencia da ondulação (f=60Hz) e do valor da capacitancia (C).
Para um Ripple pequeno (V Ripple <<<< VP ) a expressão do ripple pode ser dada aproximadamente por:
Onde Vp é o valor de pico da tensão de entrada (praticamente igual a VCC), f é a frequencia da ondulação (60 Hz para meia onda e 120 Hz para onda completa), C é a capacitancia em F e R a resistencia de carga em Ohms. A expressão pode ser simplificada por:
Onde Icc é a corrente que a carga consome (normalmente é fixada pela carga, um circuito por exemplo). Não esqueça, na pratica não existe RL, o que existe é um circuito que consome uma corrente ICC com uma tensão VCC.
Retificador Meia Onda com Filtro - Formas de onda da tensão na carga e corrente no diodo
Arquivo Falstad
4 Experiencia: Fator de Ripple
4.1. Abra o arquivo ExpEN1_03_Fator_de_ripple (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 7. Inicie a simulação e anote a forma de onda tensão total.
4.2. Meça o valor eficaz da ondulação (ripple), Vrms, para isso use um voltimetro em AC.
4.3. Meça o valor medio da tensão total, VDC, para isso use um voltimetro CC.
4.4. Meça o valor de pico a pico da ondulação, Vpp, para isso coloque a chave de entradado osciloscopio em AC e mude o Volts/Div para 1.
Vrms=_________ VDC=___________ Vpp=________________
Figura 7 - Medindo o Fator de Ripple de uma tensão - Multisim 14
4.5. Mude o valor da ondulação de 1Vpk para 50mVpk e repita os itens anteriores.
4.6. Escreva as suas conclusões
Arquivo Falstad
5 Experiência: Retificador de meia onda sem filtro
5.1. Abra o arquivo ExpEN1_04 Retificador de meia onda sem filtro (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 8. Inicie a simulação e anote as formas de onda de entrada (secundario do transformador) e na carga (1 k) e os valores da tensão média (VDC) na carga e da corrente média (IDC) na carga e no diodo. Compare com os valores teóricos (calculados). Anote os valores na tabela 1.
Figura 8 - Circuito retificador meia onda para experiencia - Multisim 14
Arquivo FalstadClique e acesse o arquivo Retificador meia onda carga resistiva no Multisim Live
Tabela 1 - Retificador de meia onda medindo a tensão media na carga
Valores Calculados | Valores Medidos | ||
VDC | IDC | VDC | IDC |
5.2. Escreva as suas conclusões.
6 Experiência: Retificador Meia Onda com Filtro Capacitivo
6.1. Abra o arquivo ExpEN1_05 Retificador de meia onda com filtro capacitivo (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 9. Inicie a simulação e anote a forma de onda na carga, medindo o valor médio da tensão (compare com o valor sem capacitor) e o ripple (coloque a chave de entrada do osciloscopio) em AC para medir só o ripple) para C=100uF.
Obs: No Falstad, para medir a ondulação com precisão, clique com botão direito no grafico ou clique na engrenagem abaixo/esquerda, e selecione Acoplamento AC, escolha um Volts/Div menor, 1V por exemplo, e use o cursor para medir os picos positivos/negativos, ou em Parametros do Gráfico selecione Mostrar pico a pico (esse é o valor do Ripplepp).
Figura 9 - Retificador meia onda com filtro capacitivo - circuito para a experiência - Multisim 14
Arquivo Falstad - Retificador meia onda com filtro capacitivo
6.2. Medindo a Ondulação (ripple ) para diferentes valores de capacitor de filtro.
Para cada valor de C meça a ondulação.
Dica: coloque a chave de entrada em AC e escolha uma escala adequada de Volts/Div
Dica: coloque a chave de entrada em AC e escolha uma escala adequada de Volts/Div
C=100 mF
ripple (medido)= ripple (estimado) =
VDC (medido)=
C=500 mF
ripple (medido)= ripple (estimado) =
VDC(medido)=
Lembre-se!! A expressão do ripple só é válida se o mesmo for muito menor do que o valor de pico da tensão senoidal.
6.3. Escreva as suas conclusões.
7 Exercicios Propostos
7.1 Qual a indicação do amperimetro e voltimetro (os dois medem valores continuos, ICC e VCC)..Obs: Secundario 12+12V
Arquivo Falstad
7.2 Qual a indicação do amperimetro e voltimetro (os dois medem valores continuos, ICC e VCC)..Obs: Secundario 12V+12V
OBS:
1) Como primeira aproximação use o valor de pico da tensão na carga como valor medio, isto é, VDC=Vpico(carga)
2) Como melhor calculo use a expressão da descarga de um capacitor para determinar o valor maximo e o valor minimo da tensão na carga. O valor medio desses dois valores é o calculo mais correto da tensão media na carga.
Arquivo Falstad
Vc(t) = Vmax.e-t/R.C