DIAGRAMA DE BLOCOS DE UMA FONTE DE TENSÃO

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2 DIAGRAMA DE BLOCOS DE UMA FONTE DE TENSÃO Essa deficiência presente nos retificadores é resolvida pelo emprego de um filtro Essa deficiência presente nos retificadores é resolvida pelo emprego de um filtro conectado entre a saída do retificador e a carga. O filtro atua no sentido de aproximar a tensão na carga, tanto quanto possível, da tensão contínua ideal, de valor.

3 TRANSFORMADOR Diminui a tensão de saída A tensão do secundário é igual a tensão do primário dividida pela relação de espiras do transformador

4 ELETROMAGNETISMO O termo magnetismo resultou do nome Magnésio, região da Ásia menor (Turquia), devido a um minério chamado magnetita (ímã natural) com a propriedade de atrair objetos ferrosos à distância ( sem contato físico). A Magnetita é um mineral magnético formado pelos óxidos de ferro II e III cuja fórmula química é Fe2O3. A magnetita apresenta na sua composição, aproximadamente 69% de FeO e 31% de Fe2O3 ou 26,7% de ferro e 72,4% de oxigênio. A magnetita é a pedra-ímã mais magnética de todos os minerais da Terra e a existência desta propriedade foi utilizada para a fabricação de bussolas.

5 Campo magnético é a região do espaço em torno de um condutor percorrido por corrente elétrica ou em torno de um ímã. Para cada ponto do campo magnético existe um vetor B, denominado vetor campo magnético. No sistema internacional a unidade do vetor B é o Tesla (T).

6 FONTES DE CAMPO MAGNÉTICO

7 RETIFICADOR DE MEIA ONDA - Possui um diodo em série com o resistor de carga. - Tem a característica de conduzir corrente somente num sentido. - Tensão na carga corresponde à metade da onda inserida na entrada. - O valor de tensão DC na saída é um valor médio de tensão. - A freqüência de ondulação na saída é igual à freqüência de entrada. - O retificador de meia onda tem baixa eficiência O diodo conduz, somente, durante os semiciclos positivos.

8 O diodo conduz, somente, durante os semiciclos negativos.

9 EQUAÇÕES

10 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM CENTER TAPE - Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída - Possui um transformador com tape central (center-tapped) e dois diodos. - A tensão na carga é um sinal de onda completa cujo pico é a metade da tensão secundária. - As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C.T. (0V). - Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. - Somente os semiciclos positivos de A e de B passam para a saída. A entrada para cada diodo é a metade da tensão do secundário.

11 EQUAÇÕES A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada

12 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE - Pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede elétrica - A tensão na carga é um sinal de onda completa com valor de pico igual à tensão secundária - Conduzem somente dois diodos de cada vez - Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Somente os semiciclos positivos passam para a saída. A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada

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14 EQUAÇÕES

15 f = 120 Hz para onda completa Vond é a tensão de ondulação ou de ripple na saída e quanto menor for Vond mais próxima de uma tensão contínua pura será a tensão de saída

16 FORMAS DE ONDA PARA FILTRAGEM EM MEIA ONDA E EM ONDA COMPLETA. Em onda completa a filtragem é mais eficiente do que para meia onda e isto por que, no retificador de onda completa, a tensão de ondulação é menor.

17 O CAPACITOR COMO ELEMENTO DE FILTRAGEM A capacidade de armazenamento de energia elétrica dos capacitores pode ser utilizada como recurso para realizar um processo de filtragem na tensão de saída de um circuito retificador. Essa filtragem é realizada conectando-se o capacitor diretamente nos terminais de saída do circuito retificador. RETIFICADOR DE MEIA ONDA RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

18 FILTRO CAPACITIVO DE ENTRADA CARGA DESCARGA VRPP, é a tensão de Ripple de pico-a-pico

19 Nos intervalos de tempo em que o diodo entra em regime de condução, uma parte da corrente flui através da carga com a parte restante fluindo para o capacitor.nesses intervalos de tempo, carga elétrica é transferida da armadura conectada ao cátodo do diodo para a segunda armadura do capacitor.

20 Nos intervalos de tempo em que o diodo opera no regime de bloqueio, o capacitor inicia o processo de transferência da carga elétrica da armadura negativa para a positiva. Com o circuito retificador em bloqueio, não é possível a ocorrência de um fluxo de corrente através do circuito retificador. Conseqüentemente, a corrente produzida pela descarga do capacitor flui através da carga.

21 Por estar em paralelo com o capacitor, a carga fica sempre submetida à mesma diferença de potencial existente entre as armaduras do capacitor. À medida que ocorre a descarga do capacitor, a diferença de potencial entre as armaduras diminui.

22 A eficiência nos sistemas de retificação pode ser observada comparando-se os gráficos das tensões de saída do circuito retificador com e sem filtro capacitivo. SEM FILTRO RETIFICADOR COM FILTRO RETIFICADOR A colocação de um capacitor na saída de um circuito retificador aumenta o valor da tensão média na carga.

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24 O capacitor na saída do circuito retificador sofre sucessivos processos de carga e descarga. Nos períodos de condução do diodo o capacitor sofre carga e sua tensão aumenta, enquanto nos períodos de bloqueio o capacitor descarrega e sua tensão diminui. Os intervalos de tempo t1 E t2 definem as durações dos processos de carga e descarga. t1 = intervalo de tempo do processo de carga do capacitor. t2 = intervalo de tempo do processo de descarga do capacitor.

25 Como se pode observar, a tensão de saída não assume o valor constante característico de uma tensão puramente contínua, variando no tempo entre os valores extremos V1 e Vmáx. Essa variação na tensão de saída é denominada de ondulação, termo derivado do inglês ripple. Ondulação ou ripple, é a variação observada na tensão de saída do circuito retificador com filtro capacitivo.

26 A diferença entre os valores Vmáx e V1 é definida como a tensão de ondulação (Vond). Este parâmetro, assume a expressão matemática abaixo. V ond = V máx V 1 A tensão de ondulação de uma fonte retificada é uma medida da componente alternada presente na saída da fonte. O valor dessa componente alternada serve como parâmetro de avaliação da qualidade de um circuito retificador. Quanto menor o valor da componente alternada presente na saída de uma fonte retificadora melhor é sua qualidade.

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28 A ondulação na saída de um circuito retificador depende fundamentalmente de três fatores. Capacidade de armazenamento do capacitor É proporcional ao valor de sua capacitância. Fixado o valor da resistência de carga, um maior valor da capacitância implica um processo de descarga mais lento e, conseqüentemente, uma menor tensão de ondulação. Resistência de carga Quanto maior for o valor da resistência de carga, menor será a corrente suprida pelo capacitor durante o processo de descarga. Dessa forma, a carga elétrica armazenada na armadura positiva do capacitor diminui mais lentamente na descarga, resultando em uma menor tensão de ondulação. Tipo de circuito retificador Fixados os valores da resistência de carga e da capacitância do circuito retificador, a tensão de ondulação fica dependente apenas do tipo de circuito retificador. No circuito retificador de onda completa o capacitor é carregado duas vezes a cada ciclo da tensão de entrada. Esse tipo de circuito opera, portanto, com a metade do tempo do retificador de meia onda, exibindo assim uma menor tensão de ondulação.

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30 A tensão média Vcc no capacitor de saída de um circuito retificador de onda completa ou de meia onda pode ser calculada a partir da expressão abaixo. V cc = V máx V 2 ond Na ausência de um resistor de carga, ou equivalentemente com a saída em aberto, o capacitor nunca descarrega. Nessas condições, Vond = 0. V cc = Vmáx = 2 VxCA Na ausência de um resistor de carga, as tensões de saída dos circuitos retificadores de meia onda e de onda completa com filtro capacitivo não variam no tempo.

31 Exemplo 1: Analisar o comportamento de um circuito retificador de meia onda. Na ausência de um resistor de carga, a tensão de saída é constante. V 2 xvca cc = Vcc = 2 15 = 21,2 V Esse comportamento pode ser observado conectando-se um osciloscópio em modo dc na saída da fonte retificadora. 20VDC 10VDC Cada quadrante vale 5VDC

32 Exemplo 2: Com um resistor na saída, aparece uma ondulação na tensão de saída. Admitindo-se que a tensão de ondulação seja V ond = 3 V, calcule Vond. Circuito retificador conectado a uma carga. V cc = V máx V 2 ond V cc = 15 V cc 3 2 = 21,2 1,5 2 = 19,7 V 20VDC 10VDC Cada quadrante vale 5VDC

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34 Modelo Analógico Modelo Digital

35 O osciloscópio é um instrumento de medição que permite visualizar graficamente sinais elétricos. Na maioria das aplicações, o osciloscópio mostra como é que um sinal elétrico varia no tempo. Neste caso, o eixo vertical (Y) representa a amplitude do sinal (tensão) e o eixo horizontal (X) representa o tempo. A intensidade (ou brilho) é por vezes chamada de eixo dos Z.

36 A ondulação é uma componente alternada presente na tensão de saída de uma fonte retificadora com filtro capacitivo conectado uma carga. Em situações de interesse prático, o valor da tensão de ondulação é normalmente inferior a 10% do valor Vcc. Para medir com precisão o valor da tensão de ondulação no capacitor de saída de uma fonte retificadora, deve-se utilizar o modo de operação ac do osciloscópio.

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38 A expressão utilizada no projeto do filtro capacitivo, sem introduzir erro significativo em situações em que a tensão de ondulação seja inferior a 20% do valor Vcc é mostrada abaixo. C = T I V máx ond V ond = Tensão de ondulação medida em Volts I máx = Corrente máxima na carga em ma T = Período aproximado da descarga do capacitor C = Valor da capacitância do filtro em µf Para uma freqüência AC de 60 Hz utiliza-se : T = 16,6 ms para um retificador de meia onda T = 8,33 ms para um retificador de onda completa

39 Exemplo 1: Deseja-se montar uma fonte retificadora de meia onda com tensão de saída de 12V, corrente de 150mA, e com ondulação de 2V. Assumindo a freqüência da rede elétrica de 60 Hz, determinar a capacitância. DADOS Vout = 12V I máx = 150 ma V ond = 2V Hz = 60Hz Para uma freqüência AC de 60 Hz utiliza-se T = 16,6 ms retificador de meia onda C = T I V máx ond

40 Exemplo 2: Deseja-se montar uma fonte retificadora de onda completa com tensão de saída de 13,8V, corrente de 900mA, e com ondulação de 1,5V. Assumindo a freqüência da rede elétrica de 60 Hz, determinar a capacitância. DADOS Vout = 13,8V I máx = 900 ma V ond = 1,5V Hz = 60Hz Para uma freqüência AC de 60 Hz utiliza-se T = 8,33 ms retificador de onda completa C = T I máx V ond Ao se projetar uma fonte retificadora, além do valor da capacitância do filtro, deve-se, também, especificar sua tensão de isolação. A tensão de isolação deve ser sempre superior ao maior valor da tensão de operação do capacitor.

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42 O filtro capacitivo ideal seria aquele que possibilitasse a obtenção de uma tensão de saída não ondulada. Certamente este tipo de capacitor deveria exibir uma capacidade de armazenamento de carga elétrica elevadíssima para poder manter a tensão de saída absolutamente constante. Nota-se, portanto, que a utilização prática de um filtro capacitivo que produza pequena ondulação na saída requer uma certa ponderação: Na prática, os filtros capacitivos normalmente utilizados na construção de fontes retificadoras são do tipo eletrolítico, pois esse tipo de filtro apresenta um alto valor de capacitância por unidade de volume. Vale também observar que, se a tensão de ondulação de uma fonte retificadora é elevada demais para alimentação de um determinado equipamento, utilizam-se normalmente circuitos eletrônicos destinados especificamente à regulação da tensão de alimentação, evitando, assim, a necessidade de alteração do filtro capacitivo. Diminuir o percentual de ondulação implica no uso de filtros de alta capacitância, que além de serem mais volumosos, aumentam o custo do projeto.

43 ESPECIFICAÇÃO DE DIODOS VBR e IDM Retificador de meia onda com capacitor de filtro na entrada: Retificador de onda completa com capacitor de filtro de entrada: Retificador de onda completa em ponte com capacitor de filtro de entrada

44 EXEMPLOS 1) Dado o circuito retificador de meia onda, calcule: VP(carga) =? Vdc =? Imed =? VP(carga) = VP - QD VP(carga) =17,96-0,7 VP(carga) =17,26V DADOS: RL= 20 ohms VP = 17,96VAC Vdc = Vp(carga) Vdc = 17,26 Vdc = 5,49V IP = VP RL Imed = IP 17,26 IP = 20 Imed IP = 0, 863Α = 0,863 Imed = 0, 274Α Como é uma retificação meia onda, a carga recebe picos de tensão elevados, e opera com um valor médio não estabilizado.

45 EXEMPLOS 2) Dado o circuito retificador de meia onda, calcule: VP(carga) =? Vdc =? Imed =? Hz(out) =? VP(carga) = VP - QD VP(carga) =16,97-1,4 VP(carga) =15,57V DADOS: RL= 10 ohms VP = 16,97VAC Hz(in) = 60 Vdc = Vp(carga) Vdc = 15,57 Vdc = 9,91V IP = VP RL Imed = IP 15,57 IP = 10 Imed IP = 1,557 = 1, 557Α Imed = 0, 495Α Hz ( out) = 2xHz( in) Hz ( out) = 2x60 Hz( out) = 120 Apesar de ser uma retificação de onda completa, a carga ainda recebe picos de tensão, a diferença são a redução dos intervalos.

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47 Questionário 1.Explique com suas palavras qual o objetivo de utilização de um filtro na saída de um retificador? 2.Tendo em vista a teoria estudada, que ocorre com a tensão média na carga quando se coloca um capacitor em paralelo com a saída de um retificador? 3.Utilizando os conceitos de retificação explique o que é ondulação? 4.Qual a relação entre ondulação e qualidade de uma fonte retificadora? 5.Que fatores influenciam a ondulação? 6.Qual a tensão média na saída de um retificador de meia onda, com filtro, submetido a uma tensão de entrada com Vmáx = 10 V para uma tensão de ondulação de 1 V? 7.Que modo de operação deve ser utilizado em um osciloscópio para medição precisa da tensão de ondulação na saída de uma fonte retificadora com filtro? 8.Por que se utilizam capacitores eletrolíticos na construção de fontes retificadoras?

48 PASSOS PARA O PROJETO (1) Especificação da carga: tensão e corrente de alimentação (com ripple incluso); (2) Determinação do capacitor de filtro; (3) Determinação das características do diodo: VBR e IDM; (4) Determinação das características do transformador: relação de espiras e potência do transformador.

49 TRABALHO Projetar uma fonte de alimentação 1 - Entrada de 127VAC 220VAC - 60 Hz; 2- Tensão de saída de (13,8VDC ± 0,2%); 3 - Para alimentar uma carga como consumo de 400 ma de corrente; 4 - Apresentar esquema elétrico; 5 - Layout da placa; 6 - Lista de componentes; 7 - Avaliação será executada no laboratório;

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