CONVERSORES E CONTROLADORES DE FASE. Circuitos de retificação monofásicos

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1 CONVERSORES E CONTROLADORES DE FASE Um conversor é um equipamento utilizado para converter potência alternada em potência contínua. Num conversor simples, que usa somente diodos retificadores, a tensão contínua de saída é fixa. Entretanto, se tiristores são usados no lugar dos diodos, as tensões de saída são ajustáveis controlando a temporização dos sinais de disparo. Esta técnica é conhecida como controle de fase e é empregada freqüentemente em ajuste de velocidade de máquinas industriais convencionais de c.c.. A técnica de controle de fase pode também ser usada para ajustar tensões alternadas para controle de velocidade de ventiladores de mesa ou de brilho de lâmpadas incandescentes. Primeiramente, trataremos de conversores e logo após será discutida a regulagem de tensão alternada. Circuitos de retificação monofásicos O conversor mais simples que usa somente um diodo é mostrado na Fig. 1. Ele é conhecido como retificador de meia onda, porque somente a metade positiva dos ciclos da tensão da fonte monofásica são passados à carga. Fig. 1 Circuito retificador de meia onda usando um diodo e a forma de onda do potencial através da carga. Basicamente, há duas formas de circuitos monofásicos retificadores de onda completa, como ilustra a Fig. 2. O primeiro tipo usa um transformador de tap central e dois diodos, enquanto que o segundo, que é conhecido como ponte retificadora, é equipado com quatro diodos e nenhum transformador. A forma de onda da tensão através da carga de um circuito de onda completa é mostrado na Fig. 3. Fig. 2 Duas formas de circuito retificador monofásico de onda completa. (a) transformador com tap central e dois diodos; (b) usando quatro diodos. Filtros LC passa-baixas, tais como mostra a Fig. 4, podem, de maneira eficaz, eliminar os componentes de ripple na forma de onda retificada. 1

2 Fig. 3 Forma de onda de tensão sobre a carga num circuito retificador de onda completa. Fig. 4 Esquema do retificador de onda completa com um filtro LC. Circuitos de retificação trifásicos Há dois tipos básicos de circuito retificador trifásico: os esquemas de meia-onda e onda completa. Os circuitos e as formas de onda através da carga são ilustrados nas Figuras 5 e 6, para os esquemas respectivos. Obviamente, o ripple no potencial da carga é menor com a configuração de onda completa quando comparado com a configuração de meiaonda. No circuito de meia onda, em que o primário (ou entrada) e o secundário (ou saída) são isolados eletrostaticamente, um transformador conectado Y deve ser usado. Fig. 5 Circuito retificador trifásico de meia onda e forma de onda da tensão na carga. Fig. 6 Circuito retificador trifásico de onda completa e forma de onda da tensão na carga. Regulagem de tensão usando a técnica de controle de fase Substituindo por tiristores todos ou alguns dos diodos de um circuito retificador, pode-se ajustar a tensão c.c. de saída. Por exemplo, se usarmos um tiristor no lugar do diodo na Fig. 2

3 1, o circuito terá a forma fundamental do circuito de controle de fase da Fig. 7. A medida de tempo entre o início da metade positiva de um ciclo até o instante de disparo é chamado de ângulo de disparo, denotado por α, e é especificado geralmente em termos de graus, um ciclo da tensão alternada equivale a 360 graus. Variando o ângulo de disparo, controla-se continuamente a potência contínua que alimenta a carga. A relação entre o potencial da saída e o ângulo de disparo é mostrado na Fig. 8. Fig. 7 Circuito de controle de fase, monofásico, de meia onda usando um tiristor e forma de onda da tensão na carga. Fig. 8 Tensão média em função do ângulo de disparo α no circuito da Fig. 7. Diodo free-wheeling Quando a carga é indutiva, há dois esquemas possíveis para controladores de fase, como mostra a Fig. 9. O circuito da figura 9(a) apresenta uma fonte monofásica de tensão alternada, uma carga e um tiristor, enquanto que o circuito da Fig. 9(b) mostra, adicionalmente, um diodo colocado paralelamente à carga, e este esquema é preferido obtendo a corrente de saída com menor ripple. A relação entre a tensão aplicada à carga e a corrente é ilustrada, na mesma figura, para os casos respectivos. No esquema da fig. 9(a), mesmo após a tensão da fonte cruzar o valor zero, a corrente continua a fluir, devido ao efeito da indutância na carga. Uma vez que o tiristor está ainda polarizado diretamente, devido à corrente, a tensão aplicada à carga (praticamente a tensão da fonte) é negativa e faz com que a corrente rapidamente caia para zero. Se a tensão direta do diodo é ignorada, a corrente, a partir de zero, é governada pela seguinte equação: di dt L m A solução desta equação é ( ω +α ) + Ri = V sen t. (1) 3

4 V i = Z m sen, (2) R t L ( ωt + α ρ) sen( α ρ) e onde Z [ ] 1 / R + ω L 2 =, (3) ωl ρ = arctan. (4) R Fig. 9 - Dois esquemas de circuitos de controle de fase meia onda para uma carga indutiva: (a) usando somente um tiristor; (b) com um diodo free-wheeling para diminuir o ripple de corrente na carga. O esquema 9(b) mostra uma diferença após a tensão cruzar o valor zero, uma vez que a corrente na carga pode ser mantida pelo trajeto fornecido pelo diodo colocado em paralelo com a carga, o tiristor será desligado, após a tensão cruzar o valor zero, assim que o diodo for polarizado diretamente. A corrente antes do cruzamento por zero é também expressa pela equação (2). Após o cruzamento, entretanto, a corrente é governada por di L + Ri + VD = 0, (5) dt onde V D é a tensão direta no diodo. A solução desta equação é i = Be R t L VD R, (6) onde 4

5 V B = Z m R 2π α t V L ω D sen ρ sen( α ρ ) e +. (7) R O intervalo de tempo necessário para a corrente cair a zero é muito mais longo que no caso ilustrado na parte (a). Em muitos casos o disparo seguinte ocorre antes do decaimento da corrente. Com a repetição dos ciclos, a corrente instantânea continua a aumentar como mostra a Fig. 10 e, eventualmente, pode atingir um valor estacionário. Fig No circuito da Fig. 9(b), a corrente eventualmente atinge um valor final estacionário. Assim, devido somente a inclusão de um diodo em paralelo com a carga, pode-se fazer fluir, em uma carga indutiva, uma corrente contínua, assim como o cogging, em uma máquina de reciprocação, pode ser reduzido montando uma roda livre (veja Fig. 11). Por esta razão um diodo usado para tal finalidade é conhecido como um free-wheeling. Fig free-wheel e diodo free-wheeling. Ajuste da velocidade de um motor de corrente contínua O ajuste da velocidade de um motor c.c. é uma aplicação da técnica de controle de fase. O circuito da Fig. 12 é um exemplo clássico que emprega um diodo Zener e um transistor de unijunção para ajustar o ângulo de disparo. Se o motor c.c. não é do tipo ímã-permanente, mas sim um motor que tenha excitação de campo separada, a bobina de campo é alimentada por uma ponte retificadora. Para uma explanação do circuito de controle, vamos usar a Fig. 13 e começar com o diodo Zener. Como já foi explicado em aula, este é um tipo de diodo que tem uma junção PN usada normalmente no estado de polarização reversa. Observam-se características similares ao diodo ordinário, como ilustra a Fig. 14, na região polarizada diretamente. Entretanto, há uma diferença importante na região de polarização reversa. Enquanto o 5

6 potencial aplicado é menor que o potencial de Zener v Z, flui apenas uma corrente insignificante. Quando o potencial reverso atinge o nível de Zener, entretanto, a junção PN é levada ao estado de avalanche e uma corrente reversa começa a fluir. Nesta região o potencial é constante e independente da corrente. Fig. 12 Circuito de controle monofásico de onda completa, projetado para controlar a velocidade de motor c.c. de 200 W de potência. Fig Oscilador com transistor de unijunção colocado em paralelo com um diodo Zener regulador de tensão. Fig. 14 Características corrente-versus-tensão de um diodo Zener. 6

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