Circuitos Retificadores

Circuitos Retificadores

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CIRCUITOS RETIFICADORES

Retificador é um circuito que faz a conexão entre uma fonte CA e uma Carga CC, isto é, converte uma tensão CA em CC. A tensão direta assim obtida não é pura tal qual a de uma bateria, contém componente de ripple alternada (CA), superposta com um nível médio (CC).

Existem vários tipos possíveis de retificadores, e, de acordo com o tipo, obtém-se diferentes ripples, tensão média e eficiência na saída. De acordo com a natureza da carga, influências significativas podem ocorrer na tensão CA de alimentação.

1 - CIRCUITOS E NOMENCLATURAS

Os circuitos retificadores dividem-se em dois grandes grupos, os de meia-onda ou um caminho, e os de onda completa ou em ponte ou dois caminhos.

Os retificadores de meia-onda são aqueles que possuem um diodo por fase da tensão CA de alimentação na entrada. Todos os diodos são ligados em cátodo ou ânodo comum em um terminal de carga, e o outro terminal da carga ligado ao neutro do transformador de alimentação. A expressão meia-onda vem do fato de que, em cada fase na entrada, a corrente é unidirecional; por isso alguns autores preferem a denominação um caminho.

Os retificadores de onda completa correspondem à associação de dois retificadores de meia-onda ligados em série. Um deles leva a corrente até a carga, e o outro faz o retorno para a entrada CA, eliminando a necessidade de uma fonte CA com neutro. A expressão onda completa provém de que, em cada fase na entrada, a corrente tem dois sentidos, com valor médio nulo. Daí alguns autores preferirem a denominação dois caminhos.

Quanto à característica de controle, os retificadores se enquadram em uma das seguintes categorias: sem controle, meio controlado ou híbridos e totalmente controlado.

O retificador sem controle contém apenas diodos, fornecendo à carga uma tensão média fixam que depende da tensão alternada presente na entrada.

O retificador totalmente controlado contém apenas tiristores ou então transistores de potência. Nesses retificadores, utilizando-se circuitos de disparo apropriados, o valor médio entregue à carga pode ser controlado, desde um valor positivo até um valor negativo. Esse fato caracteriza esses retificadores como conversores bidirecionais, pois o fluxo de potência ora vai da entrada para a carga, ora da carga para a entrada.

O retificador híbrido ou meio controlado contém um misto de diodos e tiristores. O valor médio na carga é controlado, porém sempre positivo, desde um valor médio máximo até zero. Esse fato caracteriza esses retificadores como conversores unidirecionais, pois o fluxo de potência vai sempre da entrada para a carga.

Pelo número de pulsos caracteriza-se a tensão de saída de um retificador, e conseqüentemente define-se quantas vezes essa tensão de saída é maior que a tensão de entrada. Por exemplo, retificador de seis pulsos quer dizer que o ripple de saída é seis vezes maior que a freqüência da entrada. Assim, sendo de 60 Hz a freqüência fundamental do ripple da saída.

2 - DIODO DE COMUTAÇÃO

Em muitos retificadores, em particular os bidirecionais, coloca-se um diodo em paralelo com a carga, ilustrado na Fig. 1. Esse diodo, denominado diodo de retorno, de circulação ou de comutação, evita que a tensão média na carga fique negativa durante o semiciclo negativo da tensão CA na entrada, mantendo a corrente do retificador na carga.

Fig. 1 - Posição do diodo de comutação

Esse diodo tem, portanto, duas funções básicas:

  • Evitar a tensão média negativa na carga;

  • Manter a corrente em circulação na carga, mesmo com os tiristores do conversor bloqueados.

3 - RETIFICADOR MONOFÁSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)

Este é o mais simples dos retificadores, e seu circuito está representado na Fig. 2.

Fig. 2 - Retificador monofásico de meia-onda. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para carga puramente resistiva. ( c ) Formas de onda para cargas contendo indutância.

As formas de onda estão representadas na Fig. 2(b), considerando-se desprezível a queda direta nos diodos, ou seja, quando diretamente polarizado (ânodo positivo em relação ao cátodo), o diodo funciona como um interruptor simples fechado (curto-circuito), e quando inversamente polarizado, como um interruptor simples aberto (circuito aberto). As formas de onda da Fig. 2(b) foram construídas considerando-se uma carga puramente resistiva e uma tensão senoidal vs, com valor de pico Vmax da entrada. No semiciclo positivo da tensão de entrada, o diodo conduz; a corrente na carga será iL = vs/R. No semiciclo negativo o diodo será bloqueado, e a corrente na carga será igual a zero. Nessas condições a tensão de entrada será aplicada reversamente no diodo. O valor médio da tensão na carga pode ser determinado a partir da definição do valor médio aplicado à forma de onda da tensão na carga. Resulta:

(1.1)

(1.2)

A maioria das cargas (tais como motores CC) necessita de valores médios de tensão, sendo, então, pequeno o interesse pelo valor médio é uma característica do circuito, porém indesejável para a carga.

O diodo é dimensionado pela corrente que o atravessa e pela tensão reversa máxima Vd nele aplicada, nesse caso igual à tensão máxima da rede, Vmáx.

Algumas cargas contêm, além da resistência, também uma indutância em série, cujas formas de onda estão ilustradas na Fig. 2( c ) e esquematizadas na Fig. 3.

Fig. 3 - Circuito equivalente de uma carga indutiva.

Devido a presença da indutância, haverá uma atraso na corrente com relação à tensão. Dessa forma, após terminar o semiciclo positivo da tensão de entrada, ainda existirá corrente na carga, e o diodo continuará conduzindo, até que a corrente suavemente chegue em zero. Conforme Fig. 3, a tensão instantânea na carga dada pela expressão:

(1.3)

A tensão média na carga é:

(1.4)

Obtida da forma de onda da tensão na carga, Fig. 2 ( c ), tendo nesse caso um valor menor que no caso com resistência pura.

O retificador monofásico de meia-onda pode se tornar controlado substituindo o diodo por um tiristor, cujo acionamento é feito por um circuito de disparo apropriado, como mostra na fig. 4 ( a ). O tiristor está diretamente polarizado no semiciclo positivo. Então, se o circuito de disparo fornecer um impulso positivo de corrente Ig em relação ao cátodo, o tiristor entrará em condução. Dessa forma, o ângulo de atraso pode variar teoricamente de 0º a 180º. As Figuras 4 ( b) e 4 ( c ) mostram as formas de onda para dois diferentes ângulos de disparo. O diodo de comutação não permite que a tensão na carga fique negativa, aumentando assim seu valor médio. Sem o diodo de comutação, as formas de onda são similares àquelas da Fig. 2( c ), com exceção do atraso dado pelo ângulo de disparo.

Fig. 4 - Retificador monofásico controlado com diodo de comutação. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para  menor que 90º. ( c ) Formas de ondas para  maior que 90º.

O diodo de comutação começa a conduzir a partir do instante em que a tensão de alimentação inicia o semiciclo negativo. Para os ângulos de disparo pequenos pode acontecer de o tiristor ser disparado antes que a corrente pelo diodo de comutação chegue a zero. Então a corrente na carga é contínua, Fig. 3 ( b ); se o ângulo de disparo for grande (próximo a 180º), o tiristor é disparado quando a corrente do diodo de comutação já tiver extinguido. Nesse caso a corrente na carga é dita descontínua, Fig. 3 ( c ).

Analisando a forma de onda da tensão na carga, conclui-se que a tensão média pode ser determinada pela equação:

(1.5)

Portanto:

para ângulo de disparo igual a zero  (máximo)

para ângulo de disparo igual a 180º  (mínimo)

A tensão sobre o tiristor apresenta uma parte positiva e uma negativa. A parte positiva corresponde ao intervalo em que o tiristor está diretamente polarizado, mas não recebeu impulso de gate. A parte negativa corresponde ao intervalo em que o tiristor está inversamente polarizado. Portanto a tensão direta máxima é igual à tensão reversa máxima, e ambas iguais à Vmax. Quando o tiristor está conduzindo, a queda direta é praticamente zero.

Concluindo, pode-se dizer que o diodo de comutação tem duas funções básicas no retificador: evitar tensão negativa na carga, aumentando o valor médio, e conduzir no semiciclo negativo da tensão de entrada, retirando energia da carga e diminuindo o intervalo de condução do tiristor.

4 - RETIFICADOR BIFÁSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)

O circuito de retificador bifásico de meia-ona está desenhado na figura 5 ( a ). É alimentado por duas tensões senoidais, V1 e V2, defasadas de 180º entre si, obtidas de um transformador com tomada central (N). Em qualquer instante, somente um dispositivo (diodo ou tiristor) estará conduzindo a corrente elétrica. No caso de diodos, conduzirá aquele que estiver ligado à fase com maior tensão, e, no caso de tiristores, tenta-se disparar os dois simultaneamente, aquele ligado à fase de maior tensão entrará em condução.

Com relação à Fig. 5 ( a ), T1; analogamente T2, dentro do semiciclo de V2. O circuito de disparo foi omitido. Entretanto basta construir um circuito que forneça pulsos, como mostram os gráficos de Ig1 e Ig2. Se o ângulo de disparo for igual a zero, os tiristores se comportarão como se fossem diodos.

Quando T1 é disparado, a corrente na carga aumenta, e, devido à indutância, T1 só deixará de conduzir quando T2 for acionado. Como T2 é acionado quando V1 é negativo, aparecerá uma tensão negativa na carga. Condições análogas ocorrem quanto T2 é disparado. A tensão sobre os tiristores tem a mesma forma de onda, porém defasada de 180º entre si. No caso de T1, inicialmente, a tensão é positiva, mas não recebeu impulso de gate. Portanto não está conduzindo. Após o impulso de gate entra em condução, a tensão cai a zero (desprezível); e, após o disparo de T2, T1 é bloqueado e a tensão sobre ele é V = V1 + V2 (ver Fig. 6). Logo, nos tiristores a tensão direta máxima é igual à tensão reversa máxima, e ambas iguais a 2 Vmax, que é o valor máximo da tensão nos terminais do secundário do transformador de entrada.

Fig. 5 - Retificador controlado bifásico. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Analisando a forma de onda da tensão na carga, na Fig. 5 ( b ), conclui-se que o valor médio da tensão na carga será:

(1.6)

Essa equação assume que a indutância da carga seja grande o suficiente para não deixar que a corrente na carga seja zero, qualquer que possa ser o ângulo de disparo, condição essa viável na prática.

A forma de onda da tensão na carga permite dizer que se trata de um conversor de dois pulsos. As formas de onda das correntes ilustradas na Fig. 2 ( b ) correspondem à condição de corrente contínua na carga. Nota-se que o ripple é grande, com valor médio relativamente pequeno. No caso de corrente descontínua na carga, indutância pequena, aparecerão períodos de tensão igual a zero na carga.

Fig. 6 - Circuito ilustrado T2 conduzindo e T1 bloqueado.

5 - RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA (OU DE DOIS CAMINHOS)

Esse retificador (também conhecido como conexão em ponte) pode ser do tipo sem controle (4 diodos), híbrido ou meio controlado (2 diodos e 2 tiristores), ou totalmente controlado (4 tiristores). Esta seção descreve cada um dos tipos.

5.1 - Sem controle

Na Fig. 7 estão desenhados quatro tipos de circuitos que podem representar esse retificador. A título de estudo e comparação com futuros retificadores, a representação mais utilizada é aquela da Fig. 7 ( c ), embora se utilize também a da Fig. 7 ( d ), pois essas configurações permitem estudar outros retificadores por comparação. Por exemplo, associando-se em série dois retificadores de meia-onda, utilizando-se na alimentação uma tomada central N, equivale ao de onda completa. Assim sendo, a forma de onda da tensão na carga pode ser obtida com uma alimentação senoidal, Vx e Vy, ou então considerando uma tomada central e as tensões V1 e V2, referenciadas a N. Sem tomada central, quando Vx é positivo, D1 e D2 conduzem, e, quando Vy é positivo, conduzem D3 e D4, resultando as formas de onda da Fig. 7 ( e ). Com tomada central para V1 positivo e V2 negativo, D1D2 conduzem, e, para V2 positivo e V1 negativo, D3 e D4 conduzem, resultando as formas de onda da Fig. 7 ( e ). Nos dois casos a tensão reserva máxima no diodo é o valor máximo da tensão alternada (Vmax), presente entre os terminais do secundário. As formas de onda da corrente nos diodos e na entrada são idênticas àquelas do retificador bifásico de meia-onda, mostradas na Fig. 5.

Similarmente ao retificador anterior, o retificador monofásico de onda completa pode ser caracterizado por um conversor de dois pulsos.

Fig. 7 - Retificador monofásico em ponte. ( a ) - ( d ) Circuitos representativos. ( e ) Formas de onda.

5.2 - Totalmente Controlado

O circuito do retificador monofásico totalmente controlado está representado na Fig. 8, na qual os diodos foram substituídos por tiristores. Para alimentação da carga, os tiristores T1 e T2 devem ser acionados simultaneamente quando Vx é positivo ou quando V1 é positivo e V2 negativo e, 180º depois (próximo semiciclo), acionados T3 e T4. Para acionamento de dois tiristores simultaneamente, o circuito de disparo deve ser interligado com os tiristores, como mostra a Fig. 9.

A equação que fornece o valor médio da tensão na carga é a mesma estudada no retificador bifásico de meia-onda, ou seja:

(1.7)

Esta equação não é aplicada para o caso de corrente descontínua na carga.

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