Parte 1 Retificadores Não-Controlados e Introdução a Eletrônica de Potência

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1 Parte 1 Retificadores Não-Controlados e Introdução a Eletrônica de Potência As paredes entre a arte e a engenharia existem apenas em nossas mentes. Theo Jansen 1

2 Problema 1 Enquanto a Fig. 1.1 mostra uma visão de um computador pessoal (PC) destacando os dispositivos conectados à fonte de alimentação, A Fig. 1.2 descreve a representação em diagrama de blocos da fonte de alimentação de um PC. Note que os blocos denominados Rectifier 1 (do inglês Retificador 1) e Switching Power Supply (do inglês fonte de alimentação chaveada) representam o fluxo de potência principal entre a carga (e.g., memória) e a tensão da rede (i.e., utility voltage). Por outro lado, os blocos em cinza também são necessários para alimentar eventuais níveis de tensão requeridos pelos circuitos integrados (integrated circuits IC ou CI) no bloco denominado Switching Power Supply. Fig Fonte de alimentação em destaque para um PC. Um engenheiro depara-se com um desafio para projetar de uma fonte de alimentação linear de um PC conforme ilustrado na Fig O mesmo está relacionado com o volume ocupado pelo bloco Rectifier 2. Os maiores componentes neste bloco são o transformador de 60Hz (T) e capacitores eletrolíticos (C) como pode-se observar nos esquemas das Figs. 1.3(a) and 1.3(b). 2

3 Fig Diagrama de blocos de uma fonte de alimentação genérica.. Conforme ilustrado na Fig. 1.3, tal engenheiro encontra três diferentes tipos de circuitos para implementar este retificador. Esboçe a forma de onda da tensão na carga ( ) para sendo uma tensão com forma de onda senoidal. Para cada circuito na Fig. 1.3, assuma que e possuem a mesma relação de espiras (e.g., 10:1). (a) (b) (c) Fig Opções de circuitos retificadores: (a) meia-ponte, (b) ponte complete com 2 diodos, e (c) ponte completa com 4 diodes. 3

4 Problema 2 Um dos desafios durante o projeto de uma fonte de alimentação de PC tal como a da Fig. 1.1 está relacionado com o tamanho físico da mesma. Assuma que os maiores components no circuito do retificador 2são o transformador (T) de 60 e os capacitores eletrolíticos ( ) necessários para reduzir a ondulação na tensão. Sabendo-se que os transformadores e possuem relação de espiras dadas por 10: 1 e que a ondulação máxima permitida em é de 3, determine o projeto como menor tamanho físico dentre os apresentados nas Figs. 2.1(a) e 2.1(b) considerando-se que: 1) o tamanho físico do transformador for 95% do tamanho de e 2) o tamanho físico do capacitor é 15% do tamanho de. O único capacitor disponível para este projeto está especificado como 470 μ / 50. (a) Dicas (b) Fig Esquemáticos para o Retificador 2 na Fig. 1.2: (a) Circuito 1 e (b) Circuito 2. Para determiner o projeto com menor tamanho é importante saber a capacitância necessária para cada circuito, a qual irá fornecer o número total de capacitores (470μ / 50V) e consequentemente seu tamanho total. A capacitância para uma dada ondulação é aproximadamente: 4

5 = ( )( ) Esta expressão pode ser obtida para = 1/., em que = Problema 3 Adicione o circuito da apresentado na Fig. 1.3(c) para as analyses comparativas do tamanho físico do Problema 2. Note que o retificador ponte-completa da Fig. 1.3(c) possui o mesmo transformador que o da Fig. 2.1(a). Utilize as mesmas condições apresentadas no Problema 2. Problema 4 Um engenheiro decide usar um regulador de tensão LM 7805 para obter uma tensão CC (ou DC) fixa em 5. Tal tensão é necessária pelo bloco Switching Power Supply na Fig Algumas especificações do LM 7805 estão descritas abaixo. O parâmetro V representa a variação de tensão permitida na entrada do LM 7805 para garantir uma tensão de saída igual a 5 (7 V 20). Dado que o circuito conectado ao regulador de tensão está apresentado na Fig Determine o valor mínimo da capacitância que permitiria o 5

6 uso adequado do LM 7805 nesta aplicação. é um transformador com relação de espiras de 22:1 para os enrolamentos secundário superiores e 22:1 para os enrolamentos secundários inferiores. Considere que a tensão no regulador demanda uma corrente de 80. Fig Circuito para os blocos Transformer e Rectifier 2. Problema 5 Os circuitos retificadores apresentados anteriormente foram empregados para aplicações em baixa potência ( Rectifier 2 na Fig. 1.2). Note que as análises anteriores foram realizadas observando-se apenas para voltage. Por outro lado, o comportamento e consequentemente as análises do diodo empregado em um circuito de potência serão determinados por ambos (i.e., tensão e corrente). Por exemplo, considere um simples circuito como o da Fig. 5.1 com uma carga RL, e responda as seguintes questões: 1) Esboçe: a) Circuitos equivalentes quando o diodo está on e off, b) A corrente neste circuito, c) a tensão na carga, d) a tensão sobre o resistor, e e) a tensão sobre o diodo. Considere que a carga RL na Fig. 5.1 defasa a corrente de 45º da tensão. 2) Derive uma expressão analitica para a tensão media na carga em função do fator de potência da carga e a tensão de entrada. Fig Retificador meia-ponte alimentando uma carga RL. 6