Retificadores Monofásicos

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Uma fonte de alimentação DC é geralmente considerada um dispositivo que fornece DC, ou unidirecional, tensão e corrente. As baterias são uma dessas fontes de alimentação, no entanto, são limitadas em termos de vida e despesa. Um método alternativo para fornecer energia unidirecional é transformar a energia da linha CA em energia DC usando um retificador.

Um retificador é um dispositivo que passa a corrente em uma direção, e bloqueia-o na outra direção, permitindo a transformação do AC para DC. Os retificadores são importantes em circuitos eletrônicos, pois só permitem a corrente em uma determinada direção depois que uma certa tensão de avanço limiar através deles é superada. Um retificador pode ser um diodo, um retificador controlador de silício ou outros tipos de junções P-N de silício. Diodos têm dois terminais, o ânodo e o cátodo, onde a corrente flui do ânodo ao cátodo. Os circuitos retificadores usam um ou mais diodos que alteram tensões e correntes CA, que são bipolares, para tensões unipolares e correntes que podem ser facilmente filtradas para alcançar tensões e correntes DC.

Os retificadores de diodo são dispositivos semicondutores de dois terminais que passam a corrente em uma direção e bloqueiam-no na outra direção. A corrente passa do ânodo para o cátodo, mas não do cátodo para o ânodo. Normalmente há alguma corrente de vazamento na direção de bloqueio (cátodo para ânodo), mas é muito baixa. Os diodos que bloqueiam o fluxo de corrente, portanto, precisam bloquear um certo nível de tensão em frente ao cátodo até o ânodo, de modo que os diodos são classificados para sua capacidade de transporte atual e sua capacidade de bloqueio de tensão. Quando a tensão nos terminais do diodo excede essa classificação de bloqueio de tensão, o diodo opera na região de decomposição onde quebra e passa a corrente em ambos os sentidos. O fato de os diodos passarem corrente em uma direção leva a capacidades de retificação onde o AC pode ser convertido em DC.

Os retificadores de meia onda (Fig.1 e Fig. 2) só passam metade da tensão de entrada CA para a saída enquanto bloqueiam a metade negativa, fornecendo uma tensão de saída zero. Os retificadores de ondas completas (Fig. 3 e Fig. 4) invertem a polaridade da metade negativa para se tornarem positivos, além de passar a metade positiva. Embora as saídas desses retificador não sejam suaves, elas são por definição de saídas DC, pois a corrente flui em apenas uma direção. No entanto, essas formas de onda de saída são tipicamente filtradas para suavizar a tensão de saída resultante.

O objetivo deste experimento é estudar a operação de retificador de ondas únicas e de ondas completas para diferentes tipos de carga. A retificação, juntamente com as características de desapareçam dos diodos, são observadas quando a corrente do diodo atinge zero. A filtragem da tensão de saída DC usando um capacitor eletrolítico também é estudada.

ATENÇÃO: Durante este experimento, não toque em nenhuma parte do circuito enquanto estiver energizado. A fonte CA só é aterrada, como mostrado na Fig. 1 e 2 quando o gerador de função é uma fonte. NÃO aterrar o VARIAC.

1. Configuração de origem AC

Para este experimento, duas fontes CA são usadas; um transformador variável (VARIAC) a uma baixa frequência de 60 Hz e um gerador de função com saída sinusoidal de pico de 10 V e frequência de 1 kHz.

1. Antes de iniciar, conecte a sonda diferencial a um canal de escopo e uma sonda regular ao outro canal.
2. Ajuste os botões nos testes da seguinte forma: sonda diferencial em 20X (ou 1/20) e a sonda regular em 10X. Não se esqueça de ligar a sonda diferencial.
3. No menu de cada canal no escopo, defina a sonda em 10X. Para a sonda diferencial, multiplique manualmente quaisquer medidas ou resultados por dois para alcançar os 20X desejados.
4. Para configurar o gerador de função, certifique-se de que o OUTPUT de 50 Ω esteja conectado a um cabo BNC-to-jacaré.
   1. Conecte os clipes de jacaré a uma sonda de escopo regular para observar a saída do gerador de função.
   2. Defina a saída como um sinusoide no pico de 10 V e na frequência de 1 kHz com deslocamento DC zero.
   3. Observe a saída do gerador de função e ajuste suas configurações para alcançar a forma de onda de saída desejada.
   4. Uma vez que o sinal esteja definido, desconecte o conector BNC, mas mantenha o gerador de função ligado para manter suas configurações. Desconecte a sonda de escopo da saída do gerador.
5. Para configurar o VARIAC, certifique-se de que a saída VARIAC (parece um recipiente regular) não esteja conectada a nenhum cabo.
   1. Mantenha o VARIAC OFF e certifique-se de que seu botão está definido como zero.
   2. Ajuste lentamente o botão VARIAC para 5% de saída. Isso deve render cerca de 10V de tensão máxima.

Retifificador de meia onda

2. Carga resistiva com entrada de alta frequência

1. Use o gerador de função como fonte CA, mas mantenha-o desconectado do circuito por enquanto.
2. Na placa proto, construa o circuito mostrado em Fig.1. O diodo (D) é 2A01G-T avaliado para 50 V e 2 A, enquanto o resistor de carga (R) é de 51 Ω.
   1. Certifique-se de que a polaridade do diodo está correta. O traço no diodo está no cátodo.
3. Antes de conectar a sonda diferencial ao circuito, amarre os terminais da sonda e ajuste sua forma de onda medida na tela para mostrar tensão de deslocamento zero.
   1. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída V_{para fora}.
   2. Conecte uma sonda regular através do lado CA para observar a tensão de entrada V_in.
   3. Conecte o gerador de função ao circuito.
4. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V_dentro e V para _até quatro ciclos fundamentais de V_em. Faça uma cópia das formas de onda.
   1. Amplie na região de desligto do diodo e faça uma cópia das formas de onda.
5. Desconecte o gerador de funções e remova a sonda diferencial para modificações de carga. Mantenha o resto do circuito e conexões como eles são.

Figura 1: Retificador de meia onda com carga resistiva

3. Carga indutiva resistiva com entrada de alta frequência

1. Utilizando o mesmo circuito em Fig. 1, conecte um indutor de 4,7 mH(L)em série com a carga resistiva, como mostrado na Fig. 2.
2. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão do resistor _V,que tem a mesma forma de forma de onda que a corrente de carga R-L que eu_saí.
3. Ligue a saída do gerador de função.
4. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V_dentro e V para _até quatro ciclos fundamentais de V_em. Faça uma cópia das formas de onda.
   1. Amplie na região de desligto do diodo e observe o atraso no tempo de desapareçam. Faça uma cópia das formas de onda.
   2. Desligue a saída do gerador de função e desconecte-a do circuito.
   3. Remova o indutor L e mantenha o resto do circuito como ele é.

Figura 2: Retificador de meia onda com carga R-L

4. Carga resistiva com entrada de baixa frequência

1. Certifique-se de que a saída VARIAC está em 5% e desconectada do circuito. Conecte a sonda diferencial através do VARIAC, gire o VARIAC ON e ajuste ligeiramente sua saída para atingir o pico de 10 V.
   1. Capture a forma de onda no escopo para usar como sua observação de tensão de entrada de referência.
   2. Desligue o VARIAC, mas não altere a configuração de tensão.
2. Utilizando o mesmo circuito da Fig. 1, ou seja, com o indutor desconectado e o resistor sendo a única carga, conecte a saída VARIAC usando o cabo plug-banana.
3. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída, _{V para fora}.
4. Ligue a saída VARIAC. Fique longe do circuito e observe as formas de onda no escopo. Se você precisar depurar seu circuito, desarje o VARIAC OFF primeiro.
5. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V para até quatro ciclos fundamentais. Faça uma cópia da forma de onda.
   1. Amplie na região de desligto do diodo e faça uma cópia das formas de onda.
6. Desligue o VARIAC e desmonte o circuito. NÃO altere a configuração de tensão VARIAC.

Retifificador de ondas completas

5. Carga Resistiva

1. Na placa proto, construa o circuito mostrado em Fig. 3.
   1. Certifique-se de que a polaridade do diodo está correta. O traço no diodo está no cátodo.
2. Uma vez que o circuito esteja pronto, conecte a saída VARIAC como fonte CA.
3. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída V_{para fora}.
4. Ligue a saída VARIAC. Fique longe do circuito e observe as formas de onda no escopo. Se você precisar depurar seu circuito, desarje o VARIAC OFF primeiro.
5. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V para até quatro ciclos fundamentais de V_em. Faça uma cópia das formas de onda.
   1. Meça o valor de pico para pico de V_usando os cursores.
6. Mantenha as conexões da sonda como estão e desligue o VARIAC e desmonte o circuito.
   1. NÃO altere a configuração de tensão VARIAC.

Figura 3. Retificador de ondas completas com carga resistiva.

6. Carga resistiva com capacitor de filtragem

1. Utilizando o mesmo circuito em Fig. 3, conecte um capacitor eletrolítico (C) em paralelo com a carga resistiva, como mostrado na Fig. 4.
   1. Certifique-se de que a polaridade do capacitor está correta com o terminal (- ) conectado ao lado negativo da carga.
2. Ligue a saída VARIAC. Fique longe do circuito e observe as formas de onda no escopo. Antes de depurar o circuito, ligue o VARIAC OFF.
3. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V para até quatro ciclos fundamentais de VIN. Faça uma cópia das formas de onda.
   1. Meça o valor de pico para pico de V_fora usando os cursores e a opção de acoplamento CA para esse canal (o acoplamento CA elimina o deslocamento DC de um sinal).
4. Devolva isso ao acoplamento dc assim que a medição for feita.
5. Desligue o VARIAC.
6. Desmonte o circuito e limpe o banco.

Figura 4. Retificador de ondas completas com carga resistiva e filtragem capacitiva

Espera-se que uma carga resistiva acoplada a um retificador de meia onda só veja o meio ciclo positivo da tensão AC de entrada, uma vez que o retificador de diodo pode passar a corrente em uma direção. Com um retificador de ponte completa, os meiociclos positivos e negativos de entrada são corrigidos para serem positivos, mas a adição de um capacitor filtrará a maior parte da ondulação de tensão e fornecerá a carga com uma tensão DC limpa.

Quando um indutor é adicionado em série com a carga, espera-se que o diodo desligue. Isso pode ser explicado da seguinte forma: Diodos desligam sob duas condições (que são necessárias para coexistir) 1) a corrente no diodo tem que ir para zero, e 2) a tensão através do diodo (tensão anodo-para-cátodo) está abaixo do limiar de turn-on. Quando um indutor está em série com a carga, ele armazena energia e agirá como uma fonte atual quando a fonte não estiver disponível ou estiver ficando negativa no lado do ânodo do diodo. Portanto, a corrente indutor manterá o diodo como tendencioso para a frente até que a energia do indutor seja dissipada. Equações essenciais que regem circuitos retificadores básicos com entrada V_em=V₀cos(ωt):

Diodo único e carga resistiva: fora>=V₀/π (1)

Ponte de diodo e carga resistiva: <V_fora>=2V₀/π (2)

Ponte de diodo, carga de origem atual: fora>=2V₀/π (3)

Os retificadores de diodo estão quase em todas as fontes de alimentação, carregador, unidade de frequência variável e em muitos circuitos de proteção. A maioria das fontes de alimentação DC ou fontes de alimentação CA ajustáveis usam retificadores de diodo para converter AC para DC e, em seguida, para AC ajustável, se necessário, como em fontes de alimentação CA e unidades de frequência variável. Aplicações em conversores eletrônicos de energia são comuns para bloqueio de tensão, e para energia de roda livre em indutores, relés eletromecânicas e enrolamentos motores. As aplicações de diodo vão além das aplicações eletrônicas de energia para eletrônicos de baixa potência, sistemas de comunicação e aplicações de iluminação.