Aula. Filtros Capacitivos. Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica Geral

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1 Aula Filtros Capacitivos Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica Geral 1

2 Objetivos 1. Analisar o efeito da adição de um capacitor em paralelo com a carga 2. Verificar o comportamento dos retificadores monofásicos de meia onda e de onda completa com filtro capacitivo 2

3 Retificadores Os circuitos retificadores tem como objetivo: Sinal AC Sinal DC Nos retificadores de meia onda e onda completa a saída é contínua, porém não constante (pulsante) Figura. Retificador meia onda Figura. Retificador de onda completa 3

4 Retificadores Para obter o sinal o mais constante possível, utiliza-se filtros 4

5 Retificadores A tensão contínua pura (com ondulação desprezível) é muito utilizada em circuitos eletrônicos Um dos circuitos de filtragens mais simples é composto de um capacitor em paralelo com a carga Figura. Retificador de meia onda com filtro capacitivo Figura. Retificador de onda completa com filtro capacitivo 5

6 Retificadores de ½ onda com filtro Durante o semiciclo positivo de 0 a pi/2, o diodo está polarizado diretamente e a fonte carrega o capacitor e alimenta a carga Durante esse período o capacitor tende a se carregar com o valor máximo da tensão aplicada (V i ) Supondo capacitor inicialmente descarregado! Figura. Carregamento do capacitor de 0 a pi/2 (90º) Figura. Forma de onda da tensão de saída de 0 a pi/2 6

7 Retificadores de ½ onda com filtro A partir de pi/2, a tensão da fonte começa a cair. O capacitor (carregado com Vp) começa a se descarregar. Enquanto a tensão no capacitor for maior que a da fonte, o diodo está polarizado reversamente Lembre-se: no capacitor a tensão não pode variar bruscamente! X Figura. Carregamento do capacitor de 0 a pi/2 (90º) Forma de onda da tensão de saída durante a descarga do capacitor 7

8 Retificadores de ½ onda com filtro A tensão de descarga não segue a forma de onda de Vi A descarga de tensão em um capacitor é um fenômeno exponencial: t / Vc Vi e Onde é conhecido como (Tau) é a constante de tempo e, em um circuito RC, vale RC Figura. Descarga do capacitor 8

9 Retificadores de ½ onda com filtro Para que o ripple seja baixo, é necessário que o capacitor se descarregue pouco durante o intervalo no qual a tensão na fonte é menor que a tensão no capacitor (ou carga) A constante de tempo deve ser muito maior que o tempo na qual a descarga ocorre Figura. Tensão na carga (ou no capacitor) para diferentes valores de tau 9

10 Retificadores de ½ onda com filtro Após alguns ciclos da fonte, a tensão de saída possui as seguinte configurações: Figura. Forma de onda da tensão de saída do retificador de meia onda com filtro 10

11 Retificadores de ½ onda com filtro No circuitos retificador de meia onda sem filtro, o diodo conduz em apenas um dos semiciclos Nos retificadores com filtro, o diodo conduz apenas por um tempo muito menor que um semiciclo. Apenas quando o capacitor encontra-se descarregado, ele se carrega durante ¼ do ciclo (0 a pi/2 ou 0 a 90º) Após essa carga inicial, o diodo conduz por breve momentos e fica cortado (polarizado reversamente) durante o resto do ciclo 11

12 Retificadores de onda completa com filtro Figura. Retificador de onda completa com derivação central. Figura. Retificador de onda completa em ponte. 12

13 Retificadores de onda completa com filtro O funcionamento do retificador de onda completa com filtro é semelhante ao retificador de meia onda Diodo Corta Diodo Conduz Figura. Tensão de saída do retificador de onda completa com filtro 13

14 Retificadores de onda completa com filtro Em um circuito de onda completa, o capacitor se carrega duas vezes a cada ciclo da tensão de entrada Figura. Tensão de saída do retificador de onda completa com filtro 14

15 Retificadores de onda completa com filtro Figura. Diferenças entre as tensões nas cargas dos retificadores de meia onda e onda completa com filtro O tempo de carga do capacitor influencia na sua ondulação, pois quanto mais tempo o capacitor leva para descarregar, menor será a tensão entre suas placas Para uma mesma carga e um mesmo capacitor, os circuitos de onda completa possuem menor ondulação 15

16 Tensão de ripple A tensão de ripple também é conhecida como tensão de ondulação Figura. Tensão de ondulação (ripple) de saída O fenômeno do ripple acontece porque a tensão de saída não é uma contínua pura, apresentando variações entre um valor máximo e mínimo 16

17 Tensão de ripple A tensão de ripple corresponde a componente alternada do sinal de saída Tensão de Ripple onde V R é a tensão de Ripple; I é a corrente média na carga; f é a frequência de ondulação; C é a capacitância. V R = I fc Esta fórmula é válida quando a tensão de ripple (V R ) é menor que 20% da tensão DC da carga É recomendado que este valor seja menor que 10% da tensão da carga 17

18 Tensão média na carga Utilizando a 1ª aproximação: onde V med é a tensão de DC na carga; V p2 é a tensão de pico no secundário. V med = Vp 2 Utilizando a 2ª aproximação: V med = V p2 VQ uedas nos diodos onde V Quedas nos diodos é a queda de tensão nos diodos, e varia com a configuração (0,7 para meia onda e onda completa com derivação central e 1,4 para onda completa em ponte). 18

19 Tensão de ripple A tensão média na carga do retificador com filtro é muito maior que as dos retificadores sem filtros Isso porque a tensão média se assemelha (caso não seja considerado o ripple) a tensão de pico (Vp) na carga Ao passo que para o retificador de meia onda (sem filtro), a tensão média na carga é Vp π E para os retificadores de onda completa (sem filtro): 2Vp π 19

20 Exercícios de Fixação Ex. 4.1) Qual a tensão média e a tensão de ondulação da saída do circuito abaixo? Figura. Circuito do exercício proposto 20

21 Exercícios de Fixação Ex. 4.2) Dimensione o capacitor do circuito abaixo para que o ripple da tensão de saída seja de 1% da tensão média na carga? (atenção para a freq. do ripple) Figura. Circuito do exercício proposto 21

22 Exercícios de Fixação Ex 4.3) Qual a tensão média de saída do circuito abaixo? Qual o ripple? Esboce a tensão na carga. Figura. Circuito do exercício proposto 22

23 Exercícios de Fixação Ex 4.4) Qual é o ripple da tensão de saída circuito abaixo? Compare com o do ex. anterior. 2 KΩ Figura. Circuito do exercício proposto 23

24 Exercícios de Fixação Ex 4.5) Qual a tensão média ondulação da tensão de saída do circuito abaixo? Figura. Circuito do exercício proposto 24

25 Exercícios de Fixação Ex 4.6) No circuito abaixo, ao conectar o voltímetro na carga o técnico observou que a tensão média é de 20,71V. O que aconteceu com o circuito? Onde está o problema? Justifique sua resposta com cálculos. Figura. Circuito do exercício proposto 25

26 Exercícios de Fixação Ex 4.7) Em um retificador de onda completa foi utilizado uma carga de 1k Ohms. A forma de onda da tensão de saída verificada com o uso do osciloscópio é a apresentada abaixo. Devido a idade do capacitor, este estava sem identificação do seu valor nominal de capacitância. Qual é esta capacitância? Vmed = 30V F = 120Hz } 1.5V Figura. Saída do osciloscópio (traço contínuo). 26

27 Referências 1. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica - Vol. 1 e 2. 4ª ed. São Paulo: Pearson 2. BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Pearson. 696 p. 27