ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 2: RETIFICADORES

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1 ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 2: RETIFICADORES OBJETIO O objetivo desta aula é observar e medir os valores de tensão nos circuitos retificadores e observar os efeitos do filtro capacitivo. MATERIAL UTILIZADO Equipamentos: Multímetro digital True RMS Multímetro digital Average Sensing Osciloscópio de 2 canais Componentes: Transformador 24-CT (ou 12+12)/1A Diodo retificador 1N4001/1N4007 (4) Resistor 5%, 1/3W: 1 kω (1); 330Ω (1) Capacitor eletrolítico >25: 10µF(1) 100µF(1) 1- REDE DE ALIMENTAÇÃO AC A grande finalidade do retificador é a conversão de corrente alternada para corrente contínua. Como a maior parte da energia elétrica é distribuída em corrente alternada ( tensão senoidal de 127/220/60Hz) e como todos aparelhos eletrônicos como televisor, rádio, som, fax, microcomputador, etc. funcionam em corrente contínua, podemos avaliar o quanto um retificador é utilizado A rede de alimentação em corrente alternada do laboratório é um sistema trifásico com neutro aterrado (127/220/60Hz) e malha de terra. A tensão entre o NEUTRO e qualquer uma das três FASES é 127 (RMS) e a tensão entre as fases, denominada tensão de linha, é de 220. A tomada de três pinos, utilizada para alimentação dos instrumentos em 127, possui dois pinos chatos (FASE e NEUTRO) e um pino redondo (TERRA). A tomada de dois pinos (FASE e NEU- TRO) deve ser utilizada apenas para alimentação do transformador. O TERRA (fio verde com lista amarela) deve ser utilizado apenas para aterramento do chassis dos equipamentos e não deve ser utilizado como NEU- TRO. erificar qual terminal da tomada de três pinos é a FASE e qual terminal é o NEUTRO. A partir de agora todo cuidado é pouco. ATENÇÃO: 1. Para evitar choque elétrico e/ou danos ao instrumento, NÃO conectar o terminal de entrada COMMON do multímetro em potencial maior que 500, DC ou RMS, em relação ao TERRA. 2. Todo aparelho e as pontas de prova devem estar em perfeitas condições de uso. 3. Ligar na tomada por ultimo. 4. Desligar da tomada primeiro. 1) erifique se a ponta de prova preta está conectada na entrada COMMON do multímetro e a ponta de prova vermelha está conectada na entrada (Ω). 2) Ajuste o multímetro para AC:200 ou AUTO 3) Preste muita atenção no terminal do multímetro (/Ω) e na escala utilizada (AC:200) 4) Conectar a outra extremidade da ponta de prova preta ao TERRA da tomada. 5) Conectar a extremidade da ponta de prova vermelha em um dos pinos chatos da tomada. Se o oltímetro indicar aproximadamente 0 este pino é o NEUTRO (N). 6) Ao medir o outro pino chato, o multímetro indicará 127 com tolerância de ±10%. Este pino é a FASE (F), ou o Hot Wire ou o Terminal ivo. Figura 1 Tomada (polarização provável) Qualquer anormalidade, ou seja, tensão menor que 115 ou maior que 140, comunique o instrutor imediatamente. (NEUTRO) = (FASE) = 2- TRANSFORMADOR rms rms O transformador é necessário para duas funções: a) Adequar a tensão disponível (127ac) às necessidades da tensão retificada (DC: 6, 12, 15, 24) b) Para proporcionar uma isolação galvânica entre a rede de alimentação e a carga. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 9

2 O transformador utilizado nesta aula possui dois enrolamentos primários para possibilitar a ligação em 127 e 220. Para ligação em 220 os dois enrolamentos são conectados em série como mostra a Figura 2(a) enquanto que para ligação em 110 ou 127 os dois enrolamentos são conectados em paralelo como mostra a Figura 2(b). Desta forma circulará a mesma corrente em cada enrolamento primário mantendo a mesma potência para as duas ligações (Obs. A potência do transformador depende a área da seção transversal do núcleo de ferro). Poderíamos conectar os dois enrolamentos primário em série e ligar em 110 ou 220 como mostra a Figura2(c). Como existe limitação de corrente, a potência ficaria limitada pela metade em 110. O contrário é possível de ser feito. Aplicar 127 no enrolamento de 220 não traz grandes problemas. A tensão de saída será menor e não poderemos utilizar toda potência para o qual o transformador foi projetado. ATENÇÃO: Aplicar tensão acima do especificado pelo fabricante certamente danificará qualquer e- quipamento. Porém alguns equipamentos podem ser danificados também com a subtensão, tensão menor que o limite mínimo especificado. OBS.: O sinal de um ponto (ou um sinal +) indica a polaridade do enrolamento do transformador. Se tudo estiver correto, a tensão do secundário 21 terá a mesma fase que a tensão do primário 1. ISOLAÇÃO GALÂNICA Ao ligar o GND do osciloscópio (aterrado através do terceiro pino do cabo de alimentação) em qualquer parte do circuito, você estará aterrando este ponto do circuito através do osciloscópio. Se outro ponto do circuito já estiver aterrado estaremos provocando um curto-circuito que certamente danificará o circuito e provavelmente o osciloscópio. Para evitar este risco é comum utilizar uma prática não recomendada: isolar o terceiro pino. Nesta situação o chassis do osciloscópio ficará energizado colocando o operador em risco de choque elétrico. Para evitar este risco utilize o osciloscópio no modo diferencial. Ligar o primário do transformador na tomada de 127 conforme a Figura 3. Utilize cabos com pino banana conectando primeiro no transformador e por último na rede de alimentação. 1. Ligar na tomada por ultimo. 2. Desligar da tomada primeiro. Figura 2- Transformador ATENÇÃO: NUNCA aplicar tensão maior que o especificado em qualquer enrolamento do transformador. Se você ligar 220 no enrolamento de 110, o transformador entrará em saturação provocando grande consumo de corrente danificando-o irremediavelmente. Figura 3- Transformador com CT Medir a tensão eficaz no primário do transformador através de multímetro na escala AC200/AUTO. FN = FASE = rms 2 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

3 Medir a tensão eficaz no secundário do transformador, entre o tap central e terminal 1 e entre o tap central e o terminal 2. Para melhorar a precisão da leitura mude a escala para AC20. A polaridade do multímetro não altera o resultado, porém, é recomendável ligar o conector COMMON (ponta de prova preta) ao GND ou TERRA. 21 = 22 = 2=21+22= rms rms rms Portanto a relação de transformação deste transformador é n1=1/21 = n2=1/22 = Medir a tensão de pico no secundário do transformador através do osciloscópio. 1) Ligar o GND do osciloscópio ao CT do transformador. ATENÇÃO: fazendo isso você estará desfazendo a isolação galvânica do transformador. 2) Ligar CH1 (5/DI-DC-CAL) em 21. 3) Ligar CH2 (5/DI-DC-CAL) em 22. 4) ERTICAL MODE em BOTH ( DUAL), CHOP- PER (se possível) 5) HORIZONTAL: 2mSEC/DI, X1 6) TRIGGER: EXT-LINE, SLOPE+ 7) Posicionar o 0 no centro da tela. Mude a chave AC-GND-DC dos dois canais para GND e posicione os traços atuando nos botões ERTICAL POSITION. Em seguida volte estas chaves para posição DC. 8) Posicionar o traço horizontalmente atuando no HORIZONTAL POSITION e no TRIGGER LE- EL. Se necessário altere para SLOPE(-). É possível que a fase que alimenta o transformador seja diferente da fase que alimenta o osciloscópio. Observe que as duas tensões 21 e 22 possuem o mesmo valor eficaz, porém apresentam fase invertida (180 o ). O oscilograma apresentado na Figura 4 corresponde a um transformador de 24 com TAP central ou = ( ) 2=12 2=16,9 Figura 4 - Oscilograma 21 = 22 = Medido pico pico Os valores medidos deverão estar bem próximos dos valores previstos se a tensão da rede não a- presentar distorção. Provavelmente a tensão de pico medida será menor que o prevista devido a distorção da onda senoidal. 21( pico) = 2 21( rms) = 22( pico) = 2 22( rms) = ATENÇÃO: Para desligar o transformador, retire os pinos banana da tomada. ATENÇÃO: Para medir tensões maiores que 20p com osciloscópio, utilize ponta de prova atenuadora X10. Leia o procedimento de ajuste da ponta de prova atenuadora no manual de operação do osciloscópio. 3- RETIFICADOR DE ½ ONDA ATENÇÃO: Mantenha o transformador desligado toda vez que for montar ou modificar o circuito. Desligar o transformador da rede retirando os pinos banana da tomada. Montar o circuito (diodo e resistor) em um Proto Board. Espere a verificação do instrutor antes de ligar o circuito. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 3

4 Figura 5 - Retificador de 1/2 onda. Ligar o transformador ao retificador utilizando cabos com pino banana e garra jacaré. Ligar o transformador na tomada. Medir o valor eficaz da tensão retificada, ac, através de multímetros True RMS (DMM1) e Average Sensing (DMM2) na escala AC-20. Observe que esta forma de onda não é mais uma senoidal pura. Portanto ela será medida corretamente através de um multímetro True RMS. A leitura indicada por uma interrogação é uma leitura não confiável. OBS.: A maioria dos multímetros utiliza acoplamento AC na escala AC, ou seja, a componente contínua é bloqueada. O valor eficaz total RMS (AC+DC), que é o valor utilizado para o cálculo da potência média dissipada em uma resistência, deve ser calculado da seguinte forma: 2 2 * RMS = dc + ac OP O( RMS ) = = 2 o DC AC RMS DMM 1 * DMM 2? * CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 6 - Oscilograma do retificador de 1/2 onda. Medir o valor de pico da tensão na carga, op, através do canal 2 do osciloscópio. CH2=5/DI-DC. Observe que é ligeiramente menor que a tensão de pico no secundário do transformador devido à queda de tensão no diodo (d). o(pico) = Medir o valor médio da tensão retificada, dc, através de multímetros Average Sensing (DMM2) e True RMS (DMM1) na escala DC- 20. Este valor deverá ser aproximadamente: dc op = o( Av) = = π = 2. op 21( rms) d Para medir o valor médio desta tensão retificada através do osciloscópio mude o acoplamento para AC e meça o deslocamento da forma de onda. Não esqueça de voltar o acoplamento de CH2 para DC. Desligue o transformador da rede Não desmonte este circuito. 4 - RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA FWCT Complete o circuito anterior adicionando o diodo D2 conforme o diagrama esquemático apresentado na Figura 7, retificador Full Wave Center Taped. Atenção: Preste muita atenção na polaridade do diodo. A inversão da polaridade deste segundo diodo provocará um curto-circuito. Espere a verificação do instrutor. 4 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

5 21 CH1 D1 CH2 o OP O( RMS ) = = CT 22 GND NÃO é conexão Rc 1k Observe que o fator de ondulação ou ripple é menor na retificação de onda completa que na retificação de meia onda. ripple = AC( rms) DC o op opp ripple ½ onda antigo conexão novo FWCT passagem Figura 7 - Retificador de onda completa. 5 - FILTRO CAPACITIO Para obtermos uma tensão mais contínua, com baixa ondulação (baixo ripple), devemos filtrar a onda retificada. A solução mais empregada é a utilização de um capacitor na saída do retificador como mostra a Figura 9. Complete o circuito com um capacitor eletrolítico de 10uF/25. ATENÇÃO: O capacitor eletrolítico é polarizado. Preste muita atenção na polaridade do capacitor. A inversão de polaridade ou aplicação de corrente alternada neste tipo de capacitor provocará a explosão do mesmo. CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 8 - Oscilograma do retificador de onda completa. Medir o valor médio e eficaz da tensão retificada através de multímetro na escala DC 20 e AC20. o DC AC RMS DMM 1 DMM 2?? Figura 9- Filtro capacitivo OBS.: No oscilograma apresentado na Figura 10 a forma de onda da corrente no diodo D1 foi adicionada artificialmente. O( Av) 2. OP = = π Em um circuito RC a ondulação, ripple, depende da relação entre constante de tempo τ=rc e o tempo de descarga do capacitor t. Quanto menor a relação t /τ menor será a ondulação. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 5

6 v ( t) = sen( ω t) i t / τ o ripple pp = op (1 e ) τ = RC 1 / f 1/ 2f m t = tempo de descarga t τ para meia para onda do onda completa o ripple pp o dc 0,01 1 % 0,02 2 % 0,05 5 % 0,1 9 % 0,2 18 % capacitor CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 10- Oscilograma de um retificador de onda completa com filtro capacitivo de 10µF. Troque o capacitor eletrolítico para 100uF/25. A ondulação ficou bem menor. Considerando corrente constante I o ripple pp = t I = C odc R Medir a tensão de saída utilizando multímetros. o DC AC RMS DMM 1 DMM 2? Medir a tensão de ondulação pico a pico da tensão de saída utilizando osciloscópio. C=10uF op opp ripple Medido Para onda triangular a tensão eficaz é pp rms = = 2 3 Quanto menor for a taxa de ondulação ou fator de ondulação, ripple, melhor será a fonte cc. Uma ondulação de 1pp em uma fonte de 5 é muito alta, porém, esta mesma ondulação em uma fonte de 100 é considerada muito baixa. CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 11- Oscilograma de um retificador de onda completa com filtro capacitivo de 100µF. Para observar esta ondulação com mais precisão, mude a escala de CH2 para 0,5/DI~ (acoplamento AC). Seria impossível posicionar este traço na tela do osciloscópio na escala 0,5/DI-DC devido à presença de uma componente contínua muito alta para esta escala. OBS.: Esta é uma situação onde utilizamos o acoplamento AC. Mude o acoplamento de CH2 para AC e posicione o traço no centro da tela. Observe que o diodo conduz uma corrente com amplitude muito maior, porém por menos tempo. A análise das correntes será o assunto do próximo laboratório. 6 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

7 CH1:5/DI CH2:0,5 ~ /DI H:2mSEC/DI Figura 12- Oscilograma de um retificador de onda completa com filtro capacitivo o DC AC RMS DMM 1 DMM 2? C=100uF op opp ripple Medido 6 - TENSÃO NO DIODO Medição diferencial Para medir uma tensão entre dois pontos não aterrados devemos operar o osciloscópio no modo DIFERENCIAL. No osciloscópio digital utilize a função MATH: CH1 CH2 ADD:CH1- CH2 CH1:5/DI CH2:5/DI(IN) H:5mSEC/DI Figura 13- Tensão no diodo ( Medição diferencial.) Observe que a parte positiva, acima da referência 0, de apenas 0.6 a 0.8, correspondente à queda de tensão direta do diodo, quando o diodo está conduzindo. A parte negativa é a tensão aplicada reversamente no diodo quando o diodo está bloqueado Neste modo de medição no osciloscópio analógico podemos observar apenas uma forma de onda de cada vez. No osciloscópio digital podemos observar as três formas de onda 21, o e d1. IM- PORTANTE: mantenha os dois canais na mesma escala 5/DI, DC Para podermos verificar a relação de fase de cada uma delas, ou seja, a posição horizontal de uma onda em relação à outra, devemos utilizar o sincronismo externo (TRIGGER EXT LINE). PI 2 2(RMS) = PI ou RR = Procedimento Inseguro pico Para medir a tensão no diodo D1 ou D2, deveríamos mudar o GND do osciloscópio para o ponto o, uma condição perigosa e nem sempre possível. Devemos isolar o GND do osciloscópio em relação ao TERRA, para conectar o GND do osciloscópio no pólo positivo do retificador. Nesta condição, a carcaça, toda parte metálica do osciloscópio, ficará energizada com o potencial do pólo positivo do retificador, colocando o operador em risco de choque elétrico. Se o pólo negativo do retificador estiver aterrado e se o GND do osciloscópio estiver aterrado, via terceiro pino do cabo de força, provocaremos um curto-circuito na saída do retificador via GND do osciloscópio. 7 - RETIFICADOR EM PONTE FULL BRIDGE Em relação ao retificador de onda completa com transformador com tap central FWCT, o retificador em ponte utiliza mais semicondutor porém economiza cobre e ferro no transformador. Observe que estamos utilizando apenas a metade do enrolamento do secundário do transformador em relação ao retificador de onda completa com tap central. A queda de tensão em dois diodos diminui muito a eficiência deste retificador em ponte para retificadores de baixa tensão, abaixo de 5. Atenção: Uma vez que o GND do osciloscópio está no polo negativo da ponte retificadora e não no tap central do transformador, não é possível observar a tensão 21 simultaneamente com o. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 7

8 Se o GND do osciloscópio estiver conectado ao pólo negativo da ponte (o-), o canal CH1 estará observando a tensão no diodo D2 e não a tensão no secundário do transformador. 8 - RETIFICADOR PARA FONTE SIMÉTRICA Uma fonte de corrente contínua muito utilizada industrialmente é a fonte simétrica de ±15, ou seja, uma fonte de +15 e outra de -15 com um ponto em comum. Figura 14 - Retificador em ponte Figura 16- retificador para fonte simétrica. O circuito funciona como dois retificadores de onda completa com tap central, uma com tensão retificada positiva e outra negativa. O circuito retificador é semelhante ao circuito da ponte, o que nos leva a cometer alguns equívocos durante a análise. Observe atentamente a ligação do secundário do transformador com tap central. CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 15 - Oscilograma do retificador em ponte. o(pico) = = 2. 2 = OP 21( rms) d O( Av) 2OP = π DC AC RMS DMM 1? DMM 2 Itajubá, MG, janeiro de UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr