AULA 3 - CICUITOS ETIFICADOES 1. INTODUÇÃO Os circuitos retificadores são utilizados em fontes de tensões contínuas, onde a sua função é a de transformar uma tensão alternada em tensão contínua. Estes circuitos são utilizados em aparelhos eletrônicos que recebem alimentação da rede (alternada), que é a fonte de energia mais utilizada atualmente. As principais características dos diodos retificadores são : tensão de ruptura ( VM ) : de 100 a 2.500V tensão direta ( VD ) : 0,7V (diodos de silício) corrente máxima ( IDmáx ) : de 1 a 2.500A Tendo em vista a sua utilização na retificação de tensões relativamente elevadas, costumam ser aproximados pelos chamados diodos ideais, cujas características podem ser comparadas na figura que se segue: figura 1.a - diodo real figura 1.b - diodo ideal Observando os dois gráficos, podemos concluir que: a) as duas curvas características são praticamente iguais, portanto o desempenho de um circuito que utilize diodos de potência pode ser analisado admitindo que tais diodos sejam ideias; b) podemos, portanto, nesrte caso, confundir o diodo real com o diodo ideal, chamando apenas por diodo ; 1
c) um diodo inversamente polarizado se comporta como um circuito aberto ( D ); figura 2 d) um diodo diretamente polarizado se comporta como um curto circuito ( D = 0 ); figura 3 2- TANSFOMADO A finalidade do transformador é adequar a tensão disponível Vp à tensão necessária Vs. Por exemplo: para alimentar um circuito eletrônico é preciso que Vs tenha um valor eficaz de 12V, enquanto a tensão disponível Vp apresenta valor eficaz igual a 120V. Utilizamos, neste caso, um transformador para abaixar o nível de tensão de 120V para 12V. Um transformador é composto basicamente de: - núcleo de material ferromagnético (aço-silício); - bobina primária (enrolamento de fio condutor isolado, constituído de Np voltas), onde é aplicada a tensão a ser transformada; - bobina secundária (enrolamento de fio condutor isolado, constituído de Ns voltas), de onde se extrai a tensão com novo valor; Basicamente, o funcionamento tem o seguinte princípio: - liga-se a bobina primária à fonte de tensão disponível; - surge uma corrente elétrica Ip através da bobina primária Np; - a corrente elétrica Ip gera um fluxo magnético (φ) no núcleo do transformador; - o fluxo magnético induz tensão nas bobinas (Vp e Vs); - num transformador ideal, a potência consumida pelo primário é igual à potência fornecida pelo secundário. 2
figura 4 Vp - tensão aplicada à bobina primária (valor eficaz) Vs - tensão obtida na bobina secundária (valor eficaz) Ip - corrente na bobina primária (valor eficaz) Is - corrente na bobina secundária (valor eficaz) Np - número de espiras da bobina primária Ns - número de espiras da bobina secundária Simbologia: figura 5 3
Num transformador, as relações fundamentais entre o primário e o secundário são: a) relação entre as tensões: b) relação entre as correntes: Vp = Np Vs Ns Ip. Np = Is. Ns exemplo - determine o valor da tensão Vs e a corrente Ip: dados: Vp = 120V figura 6 Np = 10 Ns resolução : a) cáculo da tensão secundária Vs : Vp = Np 120 = 10 Vs = 12V Vs Ns Vs b) cálculo da corrente na bobina primária Ip: Is = Vs = 12 = 2A 6 Ip. Np = Is. Ns Np = Is Ip = 0,2A Ns Ip 4
3- ETIFICADO EM MEIA ONDA O retificador em meia onda é o circuiito mais simples entre os circuitos retificadores possiveis. Possui como desvantagem, o fato de que a tensão retificada possui grande ondulação. vp(t) = 2. Vp. cos(ω.t + α) figura 7 vs(t) = 2. Vs. cos(ω.t + α) Onde: Vp - tensão eficaz do primário Vs - tensão eficaz do secundário - resistor de carga Observando que vs(t) é uma tensão alternada senoidal, verificamos que o diodo ora estará diretamente polarizado (curto circuito) ora inversamente polarizado (circuito aberto): - quando a tensão vs(t) for positiva, o diodo está em curto circuito e v (t) será igual à vs(t); - quando a tensão vs(t) for negativa, o diodo está aberto, a corrente id (t) é nula e v (t) é nula; - os gráficos da figura 8 representam em detalhe o funcionamento deste circuito: 5
+ 2.Vp - 2.Vp - 2.Vs - 2.Vs figura 8 6
- Tensão média no resistor de carga (Vo ): -π/2 v (t) médio = Vo = 1. v (t). dt T +π/2 Vo = 2. Vs π - Corrente média no resistor de carga ( Io ): Io = Vo e Vo = 2. Vs π Io = 2. Vs π. - Corrente média no diodo: i D (t) médio = Io - Tensão de pico reversa no diodo: v D (t) máx. = - 2. Vs 7
4- ETIFICADO DE ONDA COMPLETA COM TANSFOMADO CT (Center Tap) A finalidade do transformador CT é, além de adequar a tensão disponível vp(t), gerar duas tensões vs 1 (t) e vs 2 (t) opostas, isto é, quando uma for posiitiva a outra é negativa e vice-versa. figura 9 vp(t) = 2. Vp. cos(ω.t + α) vs1(t) = 2. Vs. cos(ω.t + α) vs2(t) = 2. Vs. cos(ω.t + α + 180º) Onde: Vp - tensão eficaz do primário Vs - tensão eficaz do secundário - quando a tensão vs1(t) for positiva para o diodo D1, a tensão vs2(t) é negativa para o diodo D2. O diodo D1 conduz e o diodo D2 está cortado; - quando a tensão vs1(t) for negativa para o diodo D1, a tensão vs2(t) é positiva para o diodo D2. O diodo D1 está cortado e o diodo D2 está conduzindo; Deste modo o circuito se comporta como dois retificadores de meia onda trabalhando alternadamente. Os gráficos da figura 10 representam em detalhe o funcionamento deste circuito: 8
- 2.Vs - 2.Vs figura 10 9
- Tensão média no resistor de carga ( Vo ): -π/2 v (t) médio = Vo = 1. v (t). dt T/2 +π/2 Vo = 2. 2. Vs π - Corrente média no resistor de carga ( Io ): Io = Vo e Vo = 2. 2. Vs π Io = 2. 2. Vs π. - Corrente média no diodo: i D (t) médio = Io 2 - Tensão de pico reversa no diodo: v D (t) máx. = - 2. 2. Vs 10
5 - ETIFICADO DE ONDA COMPLETA COM PONTE DE DIODOS Os retiificadores de onda completa possuem a tensão e corrente na carga com valor médio maior que na retificação em meia onda. Isto será útil se for necessário a utilização de capacitor para filtrar a ondulação na tensão e na corrente, pois o capacitor será de menor valor. vp(t) = 2. Vp. cos(ω.t + α) vs(t) = 2. Vs. cos(ω.t + α) figura 11 Onde: Vp - tensão eficaz do primário Vs - tensão eficaz do secundário Temos dois percursos possíveis para a corrente. Note que na carga a corrente na carga possui sempre o mesmo sentido que é do ponto A para B: - quando a tensão vs(t) for positiva a corrente percorre por D1, pela carga e por D2; - quando a tensão vs(t) for negativa a corrente percorre por D2, pela carga e por D4. 11
- 2.Vs figura 12 - Tensão média no resistor de carga ( Vo ): Vo = 2. 2. Vs π - Corrente média no resistor de carga ( Io ): Io = Vo = 2. 2. Vs π. - Corrente média no diodo: i D (t) médio = Io 2 - Tensão de pico reversa no diodo: v D (t) máx. = - 2. Vs 12
Exemplo - Para o circuito retificador abaixo, pede-se calcular: a) tensão eficaz no secundário do transformador; b) tensão média na carga; c) corrente média na carga; d) potência dissipada pela carga. dados: Np = 10 Ns 1 vp(t) = 2. 120. cos (377.t + 45º) a) cálculo da tensão eficaz no secundário do transformador (Vs): Vp = 120V Vp = Np 120 = 10 Vs Ns Vs 1 Vs = 12V b) cálculo da tensão média na carga (Vo): Vo = 2. 2. Vs π Vo = 2. 2. 12 π Vo = 10,8V 13
c) cálculo da corrente média na carga (Io): Io = Vo Io = 10,8 10 Io = 1,08A d) cálculo da potência dissipada pela carga (P): P = Vo x Io = 10,8 x 1,08 P = 11,664W 14