Filtros
Neste artigo faremos uma análise dos filtros usados nos circuitos retificadores, necessários para transformar a tensão contínua pulsante em tensão contínua pura.
Como vimos em um outro artigo aqui no blog em Retificadores, esses circuitos retificadores de meia onda e onda completa, a tensão contínua média na saída é pulsante, o que limita suas aplicações, pois a grande maioria dos equipamentos eletrônicos necessitam tensões contínuas puras. Devido a este agravante, os retificadores convencionais possuem uma aplicação limitada, tais como freio eletromagnético em motores elétricos, carregadores de bateria, etc.
Para aproximar o sinal de tensão retificada por um retificador a uma tensão contínua pura, necessitamos acrescentar um filtro ao circuito retificador.
Filtragem em Circuitos de Meia Onda
A forma mais simples de filtragem é a que utiliza um capacitor em paralelo com a carga que se está alimentando, como mostrado na imagem abaixo.
Este retificador de meia onda terá sua tensão contínua de saída muito próxima de uma tensão contínua pura, devido à colocação do capacitor em paralelo com a carga.
Para a perfeita compreensão do processo de filtragem realizado pelo capacitor, analisaremos o circuito da figura abaixo. Na primeira figura temos um ciclo da tensão de entrada e na segunda imagem o circuito de filtragem.
Durante o primeiro semiciclo, o terminal superior de entrada do circuito é positivo, portanto o diodo D1 conduz, pois está polarizado diretamente, fazendo a corrente circular através da carga e também para o capacitor que armazenará a energia em suas placas.
Após o capacitor se carregar com a tensão de pico da fonte, o diodo pára de conduzir.
No ponto em que a tensão de entrada atinge seu valor máximo, o capacitor estará com a tensão de pico armazenada em suas placas. A partir desse ponto, então, a carga começará a receber a energia armazenada no capacitor, pois o diodo está bloqueando a passagem de corrente. O capacitor permanecerá em descarga no intervalo em que o diodo D1 estiver em bloqueio.
Observe a figura a seguir com uma demonstração; no traço azul temos a tensão de entrada e o traço verde a tensão que aparece na carga. O diodo conduz durante todo o tempo em que a tensão é positiva na senóide de entrada, e quando passa para a tensão negativa o diodo entrará em corte e a carga passará a receber a energia em que foi armazenada no capacitor.
É importante observar que, com a colocação do capacitor, a carga recebe tensão durante todo o ciclo, aumentando o valor de tensão contínua média na carga.
Observe as figuras a seguir e faça a comparação entre um retificador sem filtro e outro com filtro.
Este retificador com filtro que apresentamos, composto de um único capacitor, não é capaz de reduzir significativamente a ondulação da tensão, a não ser que se empregue um capacitor de elevada capacitância. Entretanto, este tipo de filtro é frequentemente usado em aplicações que não requerem elevada filtragem.
Filtragem de Onda Completa
Outra forma para se reduzir a ondulação na saída é aplicar o capacitor como filtro em retificadores de onda completa. Assim a frequência da ondulação será de 120 Hz e não mais de 60 Hz, como no caso de retificadores de meia onda. Com isso, o capacitor é carregado com uma frequência duas vezes maior, enquanto que o tempo de descarga é duas vezes menor. Como consequência, a ondulação na saída será menor, tornando a tensão contínua de saída mais próxima de uma tensão contínua pura.
Observe que no traço azul temos a tensão retificada para a entrada superior do circuito, diodos D1 e D3, e no traço verde a tensão retificada da parte inferior do circuito, passagem pelos diodos D2 e D4. Já o traço vermelho é a tensão que aparece na carga após a filtragem com o capacitor C1. Como pode se observar, existe uma pequena queda de tensão comparada à tensão de entrada. Essa queda de tensão se deve à queda de tensão dos diodos.
Obs.: ondulação ou ripple é a diferença entre a variação máxima e mínima de tensão de saída de um retificador com filtro.
É importante salientar que um dos fatores que define a qualidade de um retificador é o valor da tensão de ondulação em sua saída, ou seja, quanto menor esse valor, melhor a qualidade do retificador.
Os fatores que influenciam a ondulação são associados à descarga do capacitor tais como:
- capacitância do capacitor;
- corrente absorvida pela carga;
- tempo que o capacitor permanece descarregando.
Tensão contínua média nos retificadores com filtro
Para se calcular a tensão contínua média na saída dos retificadores com filtro utiliza-se a seguinte equação:
Vcc = Vp – Vond / 2
Onde:
Vcc: tensão contínua média na saída;
Vp: tensão de pico;
Vond: tensão de ondulação.
Desenvolvemos a seguir um exemplo de cálculo de tensão contínua média na saída de um retificador com filtro.
Vcc = Vp – Vond / 2
Vp = Vca . 1,414
Vp = 24 . 1,414
Vp = 33,93 V
Vcc = 33,93V – 5,76 / 2
Vcc = 33,93 – 2,88
Vcc = 31,05 V
Obs.: não foi considerada a queda de tensão do diodo.
Determinação do Capacitor de Filtragem
A tensão contínua média na saída de um retificador com filtro depende da tensão de ondulação na saída, e esta tem relação com o tipo de retificador, a capacitância do capacitor e a corrente requerida pela carga. Esses fatores influenciam na tensão de ondulação de saída, o que torna difícil a formulação de uma equação precisa, que determine o valor do capacitor a ser usado para uma tensão pré-estabelecida.
Somente devido à grande tolerância dos capacitores eletrolíticos é que se pode formular uma equação simplificada para determinar de maneira muito próxima o valor do capacitor, sendo utilizada essa equação em filtros que proporcionem uma ondulação de até 20%. A equação mencionada é:
C = T . Imáx / Vond
Onde:
C: valor do capacitor em microfarads (uF);
T: período de descarga do capacitor;
Imáx: corrente máxima da carga em ampères:
Vond: tensão de ondulação em volts (V).
Na equação anterior para o período , considerando uma frequência de 60 Hz, teremos:
- para meia onda, T = 16,6 milisegundos (ms);
- para onda completa, T = 8,33 milisegundos (ms); pois,
T = 1 / f = 1 / 60 Hz = 0,016 segundos ou 16 milisegundos (meia onda)
T = 1 / f = 1 / 120 Hz = 0,0083 segundos ou 8,3 milisegundos (onda completa)
Apresentamos, a seguir, o cálculo do valor de um capacitor para filtragem de um circuito retificador de meia onda.
Uma fonte deve ser montada com a seguinte especificação:
Tensão de saída = 24 V
Imáx = 200 mA
Vond = 3 V
Determinemos o valor do capacitor para que a fonte tenha essas características.
T = 16,6ms (meia onda) = 16,6 . 10-3 / 3
C = T . Imáx / Vond = 16,6 .10-3 . 200 .10-3 / 3
C = 3.320 .10-6 / 3
C = 1.106,6 .10-6 F
C = 1.106,6 uF
Se desenvolvermos os cálculos para uma fonte de onda completa com os mesmos dados, teremos:
T = 8,33 ms (onda completa) = 8,33 .10-3s
C = T . Imáx / Vond = 8,33 . 10-3 . 200 .10-3 / 3
C = 1.666 .10-6 / 3
C = 555,33 .10-6 F
C = 555,33 uF
Efeito da Filtragem da Combinação Indutor-Capacitor
Filtro LC
Um filtro mais elaborado que o apresentado utiliza, além do capacitor, um indutor. A característica fundamental do indutor que o torna útil para a filtragem é sua habilidade de se opor às variações de corrente.
A utilização do indutor garante uma melhor filtragem que a obtida nos retificadores que usam somente capacitor.
A indutância faz com que a corrente de saída não sofra variações bruscas, mesmo que nos terminais do indutor apareçam grande variação de tensão.
A aplicação deste tipo de filtro se faz necessária quando a resistência da carga variar, pois assim a tensão contínua de saída terá menor variação.
Para se reduzir ainda mais a ondulação na saída, deve-se adicionar um segundo indutor e capacitor, formando um filtro com duas seções LC.
A desvantagem deste tipo de filtro é que apresenta, em sua saída, uma tensão contínua menor se comparada ao filtro com capacitor de entrada.
Filtro CLC
Para se conseguir uma tensão contínua de saída maior que a apresentada pelo filtro LC, mantendo-se a ondulação na saída a um valor baixo, aplica-se ao retificador de onda completa um filtro CLC.
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Filtro CRC
Em alguns filtros para fontes de alimentação são utilizados resistores em substituição aos indutores. Tais filtros são chamados de CRC (combinação capacitor-resistor-capacitor).
Este filtro é aplicado em circuitos nos quais a carga solicite pequeno fluxo de corrente. Em casos nos quais a carga necessite de fluxo de corrente maior, a eficiência do filtro RC diminui.
Em fonte de alimentação de potência reduzida, o baixo custo dos resistores em relação ao dos indutores faz com que os filtros RC sejam mais atrativos, uma vez que nestes casos a eficiência não é um fator importante.
A tabela a seguir faz uma comparação entre os filtros analisados neste artigo.
| Tipo de Filtro | Vcc | Cálculo de Icc | Ripple |
|---|---|---|---|
| Capacitor | ≃ Vca pico | Vcc / RL | Grande |
| LC | < Vca pico | Vcc / RL | Baixo |
| CLC | ≃ Vca pico | Vcc / RL | Muito baixo |
| CRC | < Vca pico | Vcc / RL | Baixo |
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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica
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