Retificadores
Neste artigo faremos uma análise detalhada do funcionamento dos circuitos retificadores, usados na transformação da corrente alternada em corrente contínua. Não tendo, o leitor, conhecimento prévio, ou mesmo em caso de dúvidas seria interessante acessar um outro artigo aqui do blog no link a seguir: Diodos Semicondutores.
Tipos de Retificadores
Existem basicamente dois tipos de retificadores: o de meia onda e o de onda completa. Esses circuitos são utilizados na transformação de onda senoidal em onda contínua.
A necessidade desses circuitos surgiu devido ao fato de a maioria dos circuitos eletrônicos funcionarem com tensão contínua.
Aqui discutiremos como é realizada a transformação de tensão alternada para tensão contínua e ainda incluiremos os filtros, que complementam este assunto.
Diodos Retificadores
No outro artigo aqui no blog, Diodos Semicondutores, foi visto o funcionamento e principais características de um diodo, que é um dispositivo utilizado na retificação de meia onda e onda completa.
A figura abaixo mostra o símbolo do diodo semicondutor. Observe que a parte do símbolo em forma de seta aponta no sentido convencional da corrente. O símbolo do diodo semicondutor tem a seta apontada para a região N.
Lembramos ainda que um diodo considerado com ideal pode trabalhar diretamente polarizado ou reversamente polarizado.
A polarização direta faz com que o diodo permita a circulação de corrente elétrica no circuito, enquanto a polarização reversa faz com que o diodo entre em bloqueio, não permitindo a circulação de corrente no circuito.
Retificação de Meia Onda
Quando desejamos transformar a tensão alternada em tensão contínua, a esse processo é dado o nome de retificação.
A principal função de um retificador é permitir que um equipamento eletrônico possa ser alimentado a partir da rede elétrica CA – (Corrente Alternada).
No retificador de meia onda aproveita-se apenas meio ciclo de tensão de entrada (um semiciclo) na carga, como mostra as figuras abaixo, a primeira imagem do circuito e a segunda imagem da simulação do mesmo circuito.
Façamos a análise de um ciclo completo da rede de energia elétrica (127V CA – 60 Hz) e que em nossos estudos uma onda completa apresentou com um tempo de 16.680362 milisegundos aproximadamente.
No semiciclo positivo, como mostra a imagem de simulação, o diodo retificador está polarizado diretamente, portanto ocorrerá a condução de corrente e a tensão de entrada aparecerá na carga. No semiciclo negativo o diodo retificador estará polarizado reversamente, portanto ocorrerá o bloqueio de corrente e a tensão de entrada não aparecerá na carga RL. Como você pode perceber, o diodo retificador, quando polarizado em tensão CA, só conduz corrente quando está polarizado diretamente, ou seja, somente no semiciclo positivo da senóide.
Funcionamento de um retificador de meia onda
Tomando-se como referência o circuito retificador da figura abaixo, vamos analisar o seu funcionamento aplicando uma tensão CA nos terminais A e B do circuito.
No primeiro semiciclo da tensão alternada, de 0 a 180º, a entrada A será positiva em relação a B, portanto, o diodo D1 estará polarizado diretamente, permitindo a circulação de corrente.
A tensão na carga RL será a tensão de entrada subtraída da tensão no diodo D1 (0,7 V para o diodo de silício ou 0,3 V para o diodo de germânio).
VRL = Ventrada – Vdiodo
O próximo semiciclo é o negativo, que ocorre de 180º a 360º. Nessa condição, a entrada A estará negativa em relação à entrada B, ou seja, o diodo D1 estará polarizado reversamente e bloqueará a passagem de corrente.
É importante frisar que estamos considerando um diodo ideal, que não tem corrente de fuga quando polarizado reversamente. Tratando-se de um diodo real, ao ser polarizado reversamente, ocorre o aparecimento de uma pequena corrente de fuga, da ordem de alguns microampères, que vínhamos desconsiderando.
Para este tipo de retificador, se forem considerados vários semiciclos, a forma de onda resultante de corrente e tensão na carga RL, desprezando-se a corrente de fuga, será como a mostrada na figura abaixo.
Observe que somente um dos semiciclos de um ciclo completo passa para a carga RL. O semiciclo negativo aparece aparece apenas sobre o diodo. Na figura abaixo temos uma imagem da simulação desse circuito no ponto de tensão de entrada.
As formas de ondas mostram que a tensão na carga é contínua e pulsante, pois sempre flui no mesmo sentido, não mais alternando em semiciclos positivos e negativos.
Esse tipo de retificador apresenta alguns inconvenientes, tais como:
- a tensão de saída é pulsante, o que difere de uma tensão contínua pura, limitando assim suas aplicações;
- o rendimento de tensão de saída é baixo em relação à tensão eficaz de entrada; esse rendimento é próximo de 50% da tensão de entrada eficaz.
N = 0,45 . VCA eficaz
Tensão e corrente de saída
Na retificação de meia onda, como já foi dito, tanto a tensão como a corrente de saída são pulsantes. Isto implica que na saída alternam-se períodos de existência e inexistência de tensão e corrente sobre a carga.
Ao se efetuar a medição de tensão e corrente desses circuitos, o multímetro indicará os valores de tensão e corrente média de saída.
Para se calcular os valores de tensão e corrente média são utilizadas as seguintes equações:
Tensão contínua média na saída
Vcc = Vcap – Vd / π
Corrente contínua média na saída
Icc = Vcc / RL
Onde:
Vcc: tensão contínua média na saída;
Vcap: tensão de entrada de pico;
Vd: queda de tensão do diodo (0,7 V ou 0,3 V);
Icc: corrente contínua média na saída.
Obs.: os cálculos de tensão e corrente média são importantes para a determinação da escolha do diodo retificador ideal para o circuito.
Retificador de Onda Completa
Os retificadores de onda completa é um tipo de circuito que fornece uma tensão contínua média de melhor qualidade na saída. Nesse processo de conversão de corrente alternada para corrente contínua são aproveitados os dois semiciclos da tensão de entrada, o que melhora sensivelmente o rendimento do circuito, fornecendo à saída quase que a totalidade da tensão de entrada do circuito.
Existem dois tipos de retificadores de onda completa: retificador com transformador com derivação central e retificador em ponte.
Retificador com Derivação Central
Este retificador utiliza dois diodos retificadores e um transformador com derivação central, também chamado de Center Tap.
Obs.: referência = 0 volts
Ao analisar o funcionamento desse circuito, observa-se que a tensão no secundário do transformador estará invertendo a polaridade constantemente, devido à tensão senoidal de entrada. Portanto, no circuito, cada semiciclo polariza diretamente um dos diodos, levando-o à condução.
Fazendo uma análise separada dos semiciclos da tensão de entrada, será muito fácil compreender o funcionamento desse tipo de retificador.
É importante ainda ressaltar que a derivação central deve estar localizada exatamente na metade do número de espiras do secundário do transformador, garantindo que as tensões nos diodos D1 e D2 sejam de mesmo valor.
Primeiro semiciclo
Considerando o primeiro semiciclo como positivo, ocorrerá a polarização direta do diodo D1, fazendo-o conduzir corrente, enquanto que o diodo D2 estará polarizado reversamente, entrando em bloqueio.
Nesta condição, nota-se o diodo D1 conduzindo corrente através da carga RL do terminal positivo para o terminal de referência do transformador (derivação central). A tensão na saída será:
Vcc saída = Vcap – Vd
Este cálculo é a tensão de saída no primeiro semiciclo.
Segundo semiciclo
No semiciclo seguinte – o negativo – ocorre a inversão de polaridade no secundário do transformador; com isso, o diodo D2 estará polarizado diretamente, conduzindo corrente, enquanto que o diodo D1 estará polarizado reversamente, entrando em bloqueio.
A corrente agora fluirá pelo diodo D2, através da carga RL, para o terminal de referência do transformador.
Analisando a forma de onda na carga após vários semiciclos, nota-se que este tipo de retificador é chamado de retificador de onda completa pelo fato de entregar à carga os dois semiciclos da senóide de entrada.
Cálculo de tensão contínua média na carga
Para valores de tensão de entrada acima de 10 VCA, podemos desconsiderar o valor referente à queda de tensão causada pelos diodos (0,7 V para o silício e 0,3 V para o germânio), pois essa queda de tensão não será relevante no cálculo dos valores finais de tensão.
Portanto, para se determinar a tensão contínua média na carga, usaremos a seguinte equação:
Vcc = Vcaeficaz . 0,9
Esta fórmula é para tensões de entrada acima de 10 V.
Pela equação apresentada, percebe-se que neste tipo de retificador há o aproveitamento de aproximadamente 90% da energia de entrada do circuito.
Cálculo da corrente contínua média na carga
O valor da corrente contínua média na carga está em função da tensão contínua média determinada pela equação anterior. Portanto, para se determinar a corrente a fórmula será:
Icc = Vcc / RL
Damos a seguir dois exemplos de cálculo da tensão e corrente contínua média na carga (Vcc e Icc) para retificadores de onda completa.
Exemplo 1:
Vcc = Vcaeficaz . 0,9
Vcc = 24 . 0,9
Vcc = 21,6 V
Tensão contínua média na carga = 21,6 V
Icc = Vcc / RL
Icc = 21,6 V / 600 Ω
Icc = 0,036 A ou 36 mA
Corrente contínua média na carga = 36 mA
Exemplo 2: consideraremos a tensão de entrada menor que 10 VCA, portanto, serão consideradas as quedas de tensão nos diodos.
Para este caso, onde a tensão de entrada é menor que 10 VCA, aplicam-se as seguintes equações:
Vcc = 2 . (Vcap – Vd) Vcap = Tensão alternada de pico
Vcap = Vca . 1,414
Vcap = 6 . 1,414
Vcap = 8,48 V
Tensão de pico de entrada = 8,48 V
Considerando o circuito com diodos de silício, teremos:
Vcc = 2 . (8,48 V – 0,7 V) / π
Vcc = 2 . 7,78 V / 3,14
Vcc = 4,95 V
Tensão contínua média na carga = 4,95 V
Icc = Vcc / RL
Icc = 4,95 V / 470 Ω
Icc = 0,01 A ou 10 mA
Icc = 10 mA
Corrente contínua média na carga = 10 mA
Retificador em Ponte
Uma outra maneira de se conseguir a retificação de onda completa é por meio do retificador em ponte. Ao se utilizar este modelo de retificador, não é de fundamental importância o uso de transformador, que só é utilizado em caso de adequação da tensão de entrada (elevar ou baixar a tensão de entrada); ainda no caso do uso do transformador, este não necessita de derivação central. (Center Tap).
Este tipo de retificador, que é o modelo mais utilizado, também é conhecido como ponte retificadora, sendo encontrado à venda montado em um único bloco.
Na retificação em ponte são utilizados quatro diodos e o funcionamento é facilmente compreendido, pois baseia-se na condução de corrente por dois diodos em cada semiciclo. A explicação novamente será dada analisando-se separadamente os semiciclos positivo e negativo da tensão de entrada.
Semiciclo positivo
Considerando o primeiro semiciclo e a tensão positiva no terminal de entrada superior do circuito, temos:
Nesta condição, os diodos D1 e D3 estão polarizados diretamente, conduzindo corrente através da carga RL, enquanto que os diodos D2 e D4 estão polarizados reversamente, bloqueando a passagem de corrente.
Semiciclo negativo
No semiciclo negativo a tensão positiva estará no terminal inferior do circuito devido à inversão da polaridade da tensão de entrada.
A inversão de polaridade faz com que os diodos D1 e D4 estejam polarizados diretamente, conduzindo corrente através da carga RL, enquanto os diodos D1 e D3 ficam com polaridade reversa, bloqueando a passagem de corrente.
É importante observar que a retificação em ponte entrega à carga os dois semiciclos, como acontece na retificação de onda completa com derivação central.
A ponte retificadora pode ainda ser representada simbolicamente de forma simplificada, conforme mostra a figura abaixo.
Cálculo de tensão contínua média na saída
Para se calcular a tensão contínua média de saída é necessário considerar que cada semiciclo aparece na saída devido à condução simultânea de dois diodos, o que leva a duas quedas de tensões (0,7 V ou 0,3 V). Desta forma, a tensão de saída será menor que a tensão de entrada em 1,4 V ou 0,6 V (duas vezes a queda de tensão do diodo de silício ou do diodo de germânio).
Portanto, para se calcular a tensão contínua média na saída, teremos a seguinte equação:
Vcc = 2 . (Vcap – Vd) / π
Para tensões acima de 20 Vca, desconsideram-se as quedas de tensões nos diodos, pois pouco influenciarão no valor final da tensão de saída, resultando na seguinte equação:
Vcc = Vcaeficaz . 0,9
Cálculo de corrente contínua média na saída
Para o cálculo da corrente vamos utilizar a mesma equação da retificação de onda completa com derivação central.
Icc = Vcc / RL
Desenvolvemos a seguir um exemplo de cálculo de tensão e corrente contínua média na saída para uma ponte retificadora.
Considerando para o circuito que os diodos retificadores são de silício, teremos:
Vcc = 2 . Vcap – 2Vd / π
Onde:
Vcap = Vca . 1,414
Vcap = 12 V . 1,414
Vcap = 16,97 V
Então:
Vcc = 2 (16,97 V) – 2 (0,7 V) / π
Vcc = 10,36 V
Icc = Vcc / RL
Icc = 10,36 V / 1000Ω
Icc = 0,01036 A ou 10,36 mA
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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica
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