INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CIENCIAS E TECNOLOGIA DISIPLINA: ELETRNICA DE POTENCIA PROFESSOR: VINICIUS

RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM CARGA PURAMENTE RESISTIVA E RESISTIVA INDUTIVA

Acadmico: Emerson de Andrade Lima

Limoeiro do norte CE 24 de Novembro de 2011

1

1. Introduo: Um retificador nada mais e do que um arranjo de circuitos, que dependendo de como so construdos so capaz de transformar (com maior ou menor eficincia) um sinal de entrada de tenso e corrente alternados, que varia no tempo (em termos de valores positivos a negativos) CA em um sinal de sada continuo (CC). 2. Objetivos: Construir circuitos retificadores de tenso com cargas puramente resistivas e resistivas indutivas. Simul-los no orcad. Descrever e comentar os possveis sinais de sada obtidos e os fenmenos observados.

3. Materiais Utilizados: Software Orcad. Grficos e os circuitos gerados no Orcad.

4. Fundamentos Tericos: Como j explanado na introduo a retificao o processo de converso de tenso e correntes alternadas, seja elas senoidais, quadradas ou retangulares em tenso e corrente continua. Atravs de (em nosso caso) diodos, triacs e tiristores entre outros dispositivos. Onde estes se comportam como chaves controladas (triacs e tiristores) ou no controladas (diodos), possibilitando a passagem de tenso e corrente em apenas um sentido. Obtendo um sinal de sada que no mais varia de valores positivos para negativos, mais um sinal oscilante em valores apenas positivos ou apenas negativo, os quais associados a outros dispositivos adquirem as caractersticas de um sinal continuo. Em sua maioria os retificadores so usados para converterem a alta tenso CA que so fornecidas pelas concessionarias em valores de tenso CC, isto pois, este tipo de sinal possuem caratersticas e comportamentos mais aceitveis em termos de eltrica para o desenvolvimento de circuitos, caractersticas estas como: Maior facilidade de controle em

2

termos de valores de teno e corrente, menor complexidade e nmeros componentes envolvidos nos circuitos, menor robustez dos componentes entre outras, tornando-o ideal para a alimentao de circuitos que possuem componente sensveis a variaes em termos de valores de alimentao e que trabalha com baixa tenso. 4.1 Circuito retificador de meia onda com carga resistiva: O retificador de meia onda e o mais bsico existente, e tambm o de menor rendimento em se falando em aproveitamento de tenso (tenso RMS), pois ele opera apenas com um diodo podendo apenas retificar menos da metade do sinal que e liberado pela fonte, fato este que o faz necessitar de maiores valores em termos de componentes para tornar o sinal de sada mais estvel (em se falando de ripou) o que associado a perca de metade da frequncia no o tornam um retificador muito eficiente. O retificador de meia onda funciona com diodos que agem como chaves abertas ou fechadas dependendo da polarizao da fonte. Podendo estar aberta quando o potencial sobre o anodo e positivo em relao a catodo (polarizao direta), ou como chave fechada, quando o potencial sobre o catodo e positivo em relao ao anodo (polarizao reversa). Observando que como qualquer dispositivo real, o diodo para o estado de polarizao direta gera uma pequena queda de tenso, pois ele precisam de um pequeno valor de voltagem ( de 0,5V a 1,5V dependendo do tipo de diodo) para que de fato este posa entrar no estado de conduo. Observe a figura 2 e 3 (tpico 5 grficos e tabelas), observe que na figura 2 (grfico da fonte de tenso) a tenso senoildal possuem uma valor de pico de 11V em quanto que na figura 3 (tenso sobre a carga aps a retificao) ela s apresenta picos de aproximadamente 10V, significando que aproximadamente 1V encontra-se sobre o diodo, j que se trata de um circuito em serie. Vale lembrar que o diodo na regio de no conduo encontra-se como uma chave aberta, assim em um de seus terminais teremos o potencial positivo com 0V (Catodo) e do outro ou potencial negativo -11V (Anodo) temos assim toda a tenso do sistema neste ponto (Diodo) D1. Zerando assim a tenso e corrente sobre a carga j que o circuito se comporta como se estivesse aberto no local do diodo, e toda tenso encontra-se sobre o diodo. Observe as figuras 3 e 4 no tpico 5 (grficos e tabelas).

3

Figura 1. Representao da polarizao (Chaveamento) de um diodo. 4.2 Retificador de meia onda com carga resistiva e indutiva (RL): Assim como os retificadores de meia onda com carga resistiva, os retificadores RL possuem uma estrutura fundamentada na funo de chaveamento dos diodos, e o processo de retificao seda da mesma maneira, ceifando parte do sinal da fonte e o recolocando sobre o diodo. Com tudo devido natureza de sua carga, (indutiva) ocorrem algumas variaes nos sinais de sada. Isto se da mediante a caracterstica de atraso (transitrio) de corrente que o indutor impem ao circuito. Para tentar explicar este fenmeno temos de voltar aos princpios bsicos dos indutores, um indutor nada mais e do que uma bobina, ou seja, um fio esmaltado enrolado (espiralado) entorno de um ncleo sega ele de ar ou ferro magntico. De forma que ao circular uma corrente eltrica I crescente pela primeira espira do indutor, esta criam ao seu redor um campo magntico tambm crescente, deforma que estas linhas de campo acabam por cortam as espiras seguintes da bobina, induzindo nesta uma corrente I induzida que (segundo a lei de Lenz) ira se opor a causa (Corrente I) que o originou. Momento este em que para o circuito e como se a corrente parasse (circuito aberto) fazendo com que de uma lado da bobina se encontre um potencial elevado e do outro um referencial (0V), ou seja toda ateno estar sobre o indutor. Prosseguindo, enquanto a corrente I varia crescendo esta ira produz um campo magntico cada vez mais carregado, porem como h percas na transformao de tenso em campo magntico, j que parte desta seja desperdiada em calor por efeito joule, esta corrente induzida I no consegue de fato ter a mesma intensidade da corrente I e para-la, mais consequentemente acaba a atrasando-a.

4

A medida que a corrente I vai prosseguindo e variando em intensidade na espira seguinte, o fenmeno vai se repetindo exponencialmente e se acelerando, j que I no e suficiente para impedir o avano de I, sendo que quando a corrente I encontra-se circulando na segunda espira a corrente induzida I some e o campo magntico da segunda acaba interagindo com o campo da primeira e se unido formando uma campo duas vezes mais forte que por sua vez passa pelas prximas espiras e reinicia todo a sequencia, ate que toda corrente I atravesse a bobina e o campo magntico de todas as espiras se interajam ate que este se tornem um, envolvendo toda a bobina. E como no h mais uma corrente I para se impor ao fluxo de corrente o indutor se tona para o circuito um curto, zerando a tenso sobre ele, momento este em que a nica coisa que limita a corrente de atingir valores infinitos e a resistncia do enrolamento do prprio fio, Fenmeno semelhante tambm ocorre no indutor quando a corrente sessa, de mesma forma instantaneamente o indutor torna-se um circuito aberto (corrente 0) e o fluxo magntico que envolve o indutor novamente seguindo a lei de Lenz, induz uma corrente I(ligando o indutor novamente) e uma teno (-V), sendo que esca corrente gerada I tem o mesmo sentido ao da corrente original I, na qual acaba por gerar um fluxo magntico que tenta impedir o fluxo magntico originado pela corrente I de se extinguir. Como uma parte do fluxo tambm no e transformado em corrente por causa de percas este vai se extinguindo ate que a tenso (-V) e a corrente I se extinguem por completo, parando assim por completo o indutor. Lembrando que estes fatos que foram comentados ocorrem em fraes de nano segundos. E que as resistncias quando associadas a estes circuitos so capazes aumentar o tempo desses transitrios de carga e de descarga do indutor, pois as resistncias limitaro os valores de corrente fazendo com que o tempo aumente significativamente, o que para uma retificador acaba se tornado interessante, pois quando associados com resistncias de maneira conveniente so capazes de agirem com (registros) dificultando a passagem da corrente, e com isto, fazendo com que esta durante o perodo de retificao (retirada de parte do sinal da fonte) onde no mais haveria corrente, consiga permanecer sobres as cargas mesmo nestes perodo, fazendo com que a corrente gerada pelo campo magntico acabe demorando mais para se extinguir.

5

Aonde esta relao de temporizao ( tau) esta entre resistncia e indutncia pode ser expressa pela seguinte relao 5. Tabelas e Grficos. 5.1 Grficos referentes a retificador de meia onda com carga resistiva: .

Figura 2. Formato de onda gerado pela fonte V1 do circuito 1.

Figura 3. Representao da tenso e da corrente sobre a carga (Resistor de 10) do cicuito1.

6

Figura 4. Representao da tenso e da corrente sobre o diodo do circuito 1. 5.2 Retificador de meia onda cm carga resistiva indutiva:

Figura 5. Representao do sinal de entrada do circuito 2.

7

Figura 6. Representao do formato de onda de tenso e corrente apresentados sobre o doido do circuito 2.

Figura 7. Representao do formato do sinal de tenso e corrente sobre a resistncia no circuito 2.

8

Figura 8. Representao do formato de onda de tenso e corrente sobre o indutor do circuito 2. 6. Descrio da Experincia Pratica: OBS: todas as imagens citadas neste tpico e nos demais, encontram-se no tpico 5 deste relatrio grficos e tabelas. 6.2 Retificador de meia onda com carga puramente resistiva: Seguindo assim o esquema do circuito 1. Quando o sinal da fonte senoidal V1 encontrasse no ciclo positivo de seu sinal. Figura 2 (de 0 ate 8 mili segundos), no anodo do diodo D1 encontra-se um potencial positivo de (+11V) e no catodo um potencial negativo (-0V), compondo assim o estado de polarizao direta do diodo, possibilitando assim a passagem de tenso para a carga R1 (resistor de 10) gerando assim uma corrente no sistema de 1A,

9

Circuito 1. Retificador de meia onda com carga resistiva. E claro que menos a queda de tenso requerida pelo diodo, aproximadamente 1V para o diodo que estamos utilizando, compare os valore de entrada figura 2 (grfico gerado pela fonte V1) este apresenta 11v de pico, enquanto que a sada figura 3 (grfico gerado pela leitura dos valores de tenso n acarga) apresenta apenas 10V de pico. de 1 A, Inversamente, quando o sinal senoidal troca de polaridade, (de 8 ate 16 mili segundos figura 2) o potencial negativo encontra-se sobre o anodo, e o positivo sobre o catodo fazendo com que o diodo entre na regio de polarizao reversa, bloqueando assim a tenso e acorrente, e as zerando sobre a carga R1, finalizando assim o processo de retificao do sinal de um ciclo, Gerando assim o grfico da figura 3. Ou seja, ouve a retirada da parte negativa do sinal de entrada que estaria sobre a carga, e a recolocao desta sobre o diodo (figura 4), retificando assim parcialmente o sinal de entrada. Com tudo podemos dizer no entanto que apesar deste sinal de sada estar retificado, este ainda apresenta uma grande oscilao nos valores de sua sada (um grande ripou) o que o impossibilita para ser usado para a alimentao de dispositivos sem o auxilio de outros dispositivos. Percebemos tambm que no ouve qualquer deformao no comportamento da corrente, apresentando um formato de onda similar ao da tenso, isto seda mediante s caractersticas da carga, j que as cargas resistivas no conseguem gerar distores nos formato do sinal da corrente. Pois para os circuitos eltricos ele nada mais e do que uma forma de limitador de corrente.

10

6.2 Retificador de meia onda com carga resistiva indutiva (RL):

Circuito 2. Representao do circuito retificador de meia onda com carga RL. O funcionamento deste tipo de retificador e igual ao do retificador de meia onda com carga resistiva, ele como retificador retira parte do sinal negativo da fonte de tenso. Porem como este apresenta cargas com caractersticas indutivas o sinal de sada apresente algumas divergncias. Compare as figuras 3 e 8 (tenso sobre as cargas), como pode se notar, ao contrario do retificador com carga puramente resistiva, a corrente e a tenso apresentada no circuito RL no zeraro durante todo o pico negativo da fonte, ou sega durante o perodo de (8 16 ms). Fato este, acaba comprometendo a sua funo de retificador de sinal, pois como este pode ser eficiente se ele acaba deixando passar parte do sinal negativo. Podemos explicar isto pelo fato de que os circuitos RL possurem um caracterstica incomuns, na qual ao se associarem com resistores podem estender a o transitrio de carga e descarga do indutor, e com j sabemos a constante do transitrio ( ) tau (tempo gerada pela associao de uma resistncia e um indutor) pode ser expressa por: . Calculando a constante de tempo de nosso circuito temos:

Este tempo representa teoricamente o tempo em que o indutor demora no transitrio de carga e descarga.

11

Para explicar o por que desta demora para no bloquei do diodo, temos de relembrar que o indutor quando neste a corrente cessa, instantaneamente o campo magntico nele contido gera uma corrente de mesmo sentido e intensidade da corrente I do circuito e uma tenso contraria a da fonte (-V) (nos instantes iniciais), observando tambm neste mesmo perodo que a fonte de tenso (V1) do circuito encontrasse sado do zero para valores de tenso negativos ao mesmo tempo em que o indutor encontra-se saindo de um estado em que h um potencial mximo (-10 V) diminuindo lenta mente (mediante a resistncia) ate o zero. Visto esta situao, ao analisar o grfico 6 e 8, podemos observar claramente que o diodo continua conduzindo apesar de a fonte estar sobre o ciclo negativo do sinal de entrada V1 (figura 5), como j dito no momento em que o sinal de entrada toca o zero figura 5 (em 8 ms) no catodo do diodo, o indutor encontra-se com uma tenso mxima de mesma intensidade da fonte V1 porem com o sinal trocada (-V) ou seja, existe um potencial de (-10 V sobre o catodo) em quanto que no anodo existe tambm um potencial negativo que encontra-se em diminudo em valores negativos de acordo com (V1). assim tomando como exemplo para simplificar: se em um determinado tempo durante o ciclo negativo do sinal de entrada em que no anodo existe um potencial de -1 V (vindo da fonte) e que no catodo existe um potencial de -10 V (vindo do indutor) algebricamente -1V e maior do que -10V caracterizando assim uma situao de polarizao direta, observando que esta duas grandezas sinal de entrada encontra-se sempre diminudo ate a teno de pico de -10 V enquanto que a tenso gerada pela indutor encontra-se aumentado ate que este descarregue totalmente de -10Vate que o potencial se torne 0. Situao esta em que a teno V do indutor zera e que a tenso sobre a fonte recebe o menor valor (tenso de pico -10 V) e o momento no qual o potencial sobre o anodo se torna maior algebricamente do que o potencial sobre o anodo, fazendo com que o diodo realmente entre na regio de polarizao reversa. observe as figuras 6(tenso e corrente sobre o diodo) e 8 (teso e corrente sobre o indutor) que demostram este comportamento. Motivos estes pelos quais o diodo ainda continua conduzindo e mandando teno para as carga (RL) mesmo aps o sinal de entrada estar sob o ciclo negativo, (local em que normalmente haveria o bloquei do diodo).

12

No podemos deixar de falar tambm do comportamento da tenso e da corrente sobre o diodo, e de como isto afeta este componentes do sinal tambm na resistncia. Observe que o formato do sinal que se encontra sobre o diodo e complementar ao sinal do indutor e apresenta um comportamento similar a ele, este passa um perodo maior conduzindo e no momento de corte a parte negativa se a dispe sobre o diodo (observe o grfico 6) alterando o formato padro de seu sinal. J na resistncia encontramos um padro de sinal que pode ser mais til, j que o sinal encontrasse estendido, ou seja, a tenso consequentemente pela ao geradora do indutor acaba por aparecer por um perodo maior sobre a resistncia (maior do que 8 ms) perodo referente a meio ciclo do sinal de entrada. Outro fator importante tambm associados ao transitrio estendido do indutor e fato de que a corrente apresentada sobre todas as cargas, seja resistor, indutor ou diodo se prolonga tambm h um tempo maior do que 8ms. O que para alimentao torna-se muito interessante, pios circuitos com teno continua no reagem mito bem a oscilaes de corrente. Em se falando dos valores de tenses e corrente contidos nos componentes deste neste circuito se distribuem de formas diferente, j que o indutor tambm e uma resistncia esta se divide, e uma das maneiras de se determinar as tenes dos componentes e atravs da resistncia equivalente. Calculando a resistncia do indutor:

Somando as resistncias para conseguir a resistncia equivalente temos:

13

Pela lei de Ohm temos que a corrente no circuito e:

Novamente pela lei de Ohm temos que a tenso em cada componente resistncia ou indutor.

7. Concluses e Comentrios: Nos podemos concluir que apesar de este estrutura ser bastante simples, so bastante falhas, pois em termos de retificao como ate j comentado, s consegue tornar efetivamente continuo menos da metade do sinal de entrada o que o torna uma opo pouco vantajosa para uso em equipamentos que requerem alta potencia, pois acabariam desperdiando ou deixando ociosa muita potencia da fonte, o que no o impede de se utilizar em pequenas cargas onde este fator no e de suma importncia.

8. Referencias Bibliogrficas: Circuitos eltricos (corrente continua e corrente alternada), Otvio Markus editora Erica primeira edio 2001.

14

Sinais senoidais (Teno e corrente alternadas) Prof. Fernando Luiz Rosa Mussoi terceira edio 2006. Eletrnica de potencia Ivo Barbi sesta edio 2006.

15