Retificador de onda completa

Retificador de onda completa

(Parte 1 de 6)

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Instituto Politécnico da Universidade Católica

Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações

CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO

Samuel Marques Nassif

Belo Horizonte

2005

Rafael de Aquino

Samuel Marques Nassif

CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO

Projeto utilizando as Curvas de Schade

Trabalho apresentado à disciplina Sistemas Analógicos II, do Instituto Politécnico da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, departamento de Circuitos Elétricos e Sistemas Digitais.

Orientador: Paulo José da Costa Cunha

Belo Horizonte

2005

SUMÁRIO

Conteúdo

Página

Contra capa ..................................................................................................................

2

Sumário ........................................................................................................................

3

Lista de Figuras ............................................................................................................

4

1

Introdução......................................................................................................................

5

2

Dados da Plataforma....................................................................................................

5

3

Extensometria e sua aplicação na plataforma..............................................................

5

3.1

Principais características dos extensômetros...............................................................

8

3.2

Principio de funcionamento dos extensômetros............................................................

8

4

Controlador Digital.........................................................................................................

9

4.1

Tipos de controladores..................................................................................................

10

4.1.1

Controlador Proporcional (P)

11

4.1.2

Controlador Proporcional-Integral (PI)

11

4.1.3

Controlador Proporcional-Derivativo (PD)

12

4.1.4

Controlador Proporcional-Integrativo-Derivativo (PID)

13

5

Bibliografia

13

Página

Figura 01 - Fluxo Magnético do Transformador .................................................

6

Figura 02 - Transformador Elevador de Tensão ................................................

6

Figura 03 - Transformador Abaixador de Tensão ...............................................

7

Figura 04 - Transformador (Indução Eletromagnética) ......................................

7

Figura 05 - Classificação de Materiais em termos de Estrutura de Bandas .......

8

Figura 06 - Dopagem de Semicondutores ..........................................................

9

Figura 07 - Polarização do Diodo .......................................................................

10

Figura 08 - Comportamento genérico da Corrente em função da Tensão .........

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Figura 09 - Capacitor Plano ................................................................................

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Figura 10 - Símbolo do Capacitor .......................................................................

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Figura 11 - Capacitância de um Capacitor .........................................................

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Figura 12 - Gráfico da Carga x ddp ....................................................................

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Figura 13 - Circuito em ponte com carga resistiva .............................................

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Figura 14 - Efeito da tensão nos diodos D2 e D4 ...............................................

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Figura 15 - Sentido da corrente com os diodos D2 e D4 conduzindo ................

15

Figura 16 - Efeito da tensão nos diodos D1 e D3 ...............................................

15

Figura 17 - Sentido da corrente com os diodos D1 e D3 conduzindo ................

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Figura 18 - Amostra da tensão reversa sobre os diodos D1 e D3 ......................

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Figura 19 - Formas de onda de circuito em ponte ..............................................

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Figura 20 - Retificador com filtro capacitivo ........................................................

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Figura 21 - Onda da tensão sem filtro ................................................................

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Figura 22 - Onda da tensão com filtro ................................................................

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Figura 23 - Tensão inversa de pico ....................................................................

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Figura 24 - Formas de onda de circuito com filtro ..............................................

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Figura 25 - Carga e descarga do capacitor ........................................................

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Figura 26 - Gráfico do ângulo de condução .......................................................

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Figura 27 - Resistência no circuito retificador .....................................................

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Figura 28 - Forma de onda na carga ..................................................................

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Figura 29 - Gráfico para obter Vs .......................................................................

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Figura 30 - Gráfico do valor de ω.Rcarga.C ..........................................................

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Figura 31 - Gráfico para obter Ief ........................................................................

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Figura 32 - Gráfico para obter Ipico ......................................................................

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Figura 33 - Tensão Vdc na carga do simulado calculado ...................................

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Figura 34 - Tensão VAC na carga do simulado calculado ...................................

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Figura 35 - Tensão Vdc na carga do simulado com valores comerciais ............

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Figura 36 - Tensão VAC na carga do simulado com valores comerciais .............

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Figura 37 - Resistor ............................................................................................

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Figura 38 - Circuito para medição no osciloscópio .............................................

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Figura 39 - Forma de onda do Ripple .................................................................

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Figura 40 - Forma de onda da componente VAC na carga ................................

35

Figura 41 - Forma de onda da Tensão VAC(RMS) no secundário do transformador .....................................................................................................

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1 - Introdução

A energia elétrica, hoje disponível em grande quantidade graças às extensas redes de distribuição, apresenta-se sob a forma de Corrente Alternada Senoidal, em geral de 220V ou 110V (valores eficazes) e freqüência de 50 ou 60 Hz. Esta pode ser utilizada diretamente para acionamento de motores, aquecimento resistivo e iluminação. Outras aplicações requerem corrente contínua como, por exemplo, os processos eletrolíticos industriais, o acionamento de motores de alto conjugado de partida (utilizados em tração elétrica e controles industriais), carregadores de bateria e a alimentação de praticamente todos os circuitos eletrônicos.

A obtenção de corrente contínua, a partir da corrente alternada disponível, é indispensável nos equipamentos eletrônicos. Estes, invariavelmente, possuem um ou mais circuitos chamados “Fontes de Alimentação” ou “Fontes de Tensão”, destinados a fornecer as polarizações necessárias ao funcionamento dos dispositivos eletrônicos. Aos circuitos ou sistemas destinados a transformar corrente alternada em contínua damos o nome genérico de “Conversores C.A. - C.C.”.

Para obtenção de corrente contínua em escala industrial (acima de dezenas de quilowatts) utilizam-se conversores constituídos de grupos motor-gerador em que o motor de corrente alternada é acionado pela rede e move um gerador de corrente contínua.

Para obtenção de corrente contínua em pequena escala, como na alimentação de equipamentos eletrônicos a conversão se faz por meio dos circuitos retificadores, que em muitos casos começam a substituir os conversores eletromecânicos (motor-gerador) até para elevadas potências, devido ao alto rendimento que apresentam.

2 – Estrutura Básica

2.1 – Transformadores

Os aparelhos elétricos são construídos para funcionarem com determinadas tensões. Quando a tensão de funcionamento dos aparelhos não coincidir com a tensão da fonte é necessário intercalar entre os dois um transformador para adequar essas tensões.

Quando o enrolamento primário é ligado a um circuito de corrente alternada, esta corrente cria um campo magnético proporcional a ela própria e ao número de espiras do enrolamento. Como a corrente é alternada, o campo magnético criado por ela é igualmente variável com o tempo e, conseqüentemente, aparece um fluxo da variação deste campo na região onde se encontra o enrolamento secundário.

Fig. 1 – Fluxo Magnético do Transformador

Este fluxo de variação do campo magnético do primário, induz um campo elétrico no enrolamento secundário, de tal forma que, quanto maior for o fluxo dessa variação, maior a intensidade do campo elétrico induzido em cada espira. A tensão que aparece aos terminais do enrolamento secundário é proporcional ao campo elétrico induzido e ao número de espiras do enrolamento.

Basicamente o transformador é constituído por fios enrolados num núcleo de ferro. São dois enrolamentos independentes: o enrolamento primário, ligado à fonte e o enrolamento secundário, onde se obtém a tensão desejada.

Fig. 2 – Transformador Elevador de Tensão

Nos transformadores usados nas subestações elevadoras de tensão, o enrolamento primário tem um número de espiras menor do que o enrolamento secundário, podendo, em muitos casos, este enrolamento ser constituído por fios de seção menor.

Nos transformadores abaixadores de tensão, o enrolamento primário tem um número de espiras maior do que o enrolamento secundário. Em geral, neste tipo de transformador os fios utilizados no enrolamento secundário são mais grossos.

Fig. 3 – Transformador Abaixador de Tensão

O transformador é um aparelho consumidor de energia elétrica quando considerado do lado do enrolamento primário e, também, fonte ou gerador de energia elétrica do lado do enrolamento secundário.

A indução eletromagnética nos transformadores, é uma das aplicações da lei de Faraday. Segundo esta, quando numa região do espaço ocorre uma variação do campo magnético, é induzido nessa região um campo elétrico.

Fig. 4 – Transformador (Indução Eletromagnética)

Suponhamos que a bobina 1 tenha N1 espiras e que a bobina 2 tenha N2 espiras. Se a bobina 1 for ligada a uma fonte de f.e.m. variável e1, ela vai gerar um fluxo magnético variável. Vamos admitir que e1 fornece uma diferença de potencial V1, num intervalo de tempo Δt. Se nesse intervalo de tempo Δt o fluxo variar de zero a Φ1, pela lei de Faraday,

pode dizer-se que:

Se todas as N1 espiras da bobina 1 forem atravessadas perpendicularmente por linhas de campo, a definição de fluxo permite-nos concluir que:

Portanto, igualando essas duas expressões, temos:

O que nos permite escrever

Podemos repetir esse mesmo raciocínio para a bobina 2 de N2 espiras.

Portanto, como B, A e Δt são constantes, obtemos:

2.2 – Diodo

2.2.1 – Dispositivos Semicondutores

Os átomos de um material semicondutor são dispostos em uma rede cristalina. Enquanto em um átomo isolado os níveis de energia acessíveis a um elétron são discretos, quando ordenados na rede os níveis se subdividem (degeneração) a tal ponto que para o cristal podemos identificar bandas de energia. A chamada banda de valência é ocupada por elétrons ligados aos átomos e a banda de condução contém os elétrons livres para circular pela rede cristalina. Entre as bandas de condução e valência existe a banda ‘proibida’, no sentido de que não há probabilidade para que um elétron do cristal tenha energia de valor dentro desta banda. Conforme mostrado na Fig. 5, esta noção de bandas permite classificar genericamente os materiais como isolantes, condutores e semicondutores.

Fig. 5 – Classificação de Materiais em termos de Estrutura de Bandas

Num isolante praticamente não há elétrons na banda de condução, e a diferença de energia entre as bandas de condução e valência é relativamente alta, de modo que, a temperatura ambiente, um elétron não tem energia suficiente para ‘saltar’ para a banda de condução. Num condutor as bandas se interceptam, e os elétrons podem se mover livremente pelos átomos do material. No semicondutor a diferença de energia entre bandas é pequena, os elétrons podem facilmente passar para a banda de condução deixando um buraco na banda de valência.

2.2.2 – Semicondutor intrínseco, dopado e junção

Na rede cristalina de um semicondutor puro (também denominado intrínseco) a temperatura ambiente, existe uma probabilidade não nula para que elétrons passem para a banda de condução, de modo que pares elétron-buraco são constantemente gerados. Em condições de equilíbrio elétrico e térmico a concentração ni de elétrons ou buracos pode ser expressa por:

Onde T é a temperatura e Eg é a diferença de energia entre bandas a 0°K. Para os semicondutores de fato utilizados em componentes eletrônicos, o valor de ni a 300 K é de aproximadamente 2,5 x 1013 /cm3 (silício) e 1,5 x 1010 /cm3 (germânio). Essa concentração é pequena relativamente à densidade do próprio semicondutor ( ≈1022 átomos /cm3 ).

O semicondutor intrínseco pode ser dopado com uma impureza que tenha um elétron de valência a mais ou a menos. A Fig. 6 mostra o resultado da adição de um átomo de impureza na rede.

Tanto silício quanto germânio são átomos tetravalentes. A substituição de um dos átomos da rede por um átomo pentavalente equivale a acrescentar um elétron à rede, enquanto que a substituição por um átomo trivalente equivale a acrescentar um buraco. Segundo este critério os semicondutores dopados são referidos como ‘tipo-n’ e tipo ‘tipo-p’. Nos semicondutores tipo-n a corrente elétrica é principalmente determinada pelo movimento de elétrons, e nos tipo-p pelo movimento de buracos. As impurezas tipicamente usadas são: fósforo, arsênio, antimônio, gálio, índio e boro. Note-se que no semicondutor dopado o equilíbrio elétrico é mantido, já que o átomo acrescentado também é eletricamente neutro.

Fig. 6 – Dopagem de Semicondutores: a) Impureza tipo ‘n’, b) Impureza tipo ‘p’

Uma junção p-n é obtida quando se fabrica um semicondutor tipo-p justaposto a um tipo-n. Na região de interface entre os dois, haverá tendência dos elétrons a migrar para a região tipo-p, e dos buracos a migrar para a região tipo-n. Dessa forma a região tipo-n torna-se carregada positivamente por haver capturado buracos, e a região tipo-p torna-se carregada negativamente por haver capturado elétrons. Um campo elétrico portanto se estabelece, com uma diferença de potencial tipicamente da ordem de 1V.

2.2.3 – Diodo Semicondutor

O dispositivo resultante de uma junção p-n, como descrito em 2.2.2, é chamado de diodo semicondutor. Ele pode ser polarizado de modo a favorecer ou a bloquear a passagem de corrente, como mostrado na Fig. 7.

Se aplicamos uma diferença de potencial entre os terminais p e n, de modo que do lado n o potencial seja inferior ao do lado p, estaremos favorecendo a migração de portadores de carga através da junção. Haverá portanto passagem de corrente pelo diodo. Aqui notamos que o movimento de elétrons é oposto ao que convencionalmente adotamos para simbolizar a direção da corrente elétrica (do potencial positivo para o negativo).

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