Ivair José de Souza

 

Circuitos retificadores

 

Introdução

 

A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada ao passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua. Então é necessário retificá-la e isto é feito através dos circuitos retificadores que convertem corrente alternada em corrente contínua.

Temos os retificadores monofásicos para uso em aparelhos eletrônicos de um modo geral e os retificadores polifásicos para uso em circuitos industriais de alta potência.

 

Destacaremos neste curso os três tipos de retificadores monofásicos que são:

I   – Retificador de meia onda.

II  – Retificador de onda completa utilizando transformador com derivação central.

III – Retificador de onda completa em ponte.

 

 

I –  Retificador de meia onda

O diodo tem a característica de conduzir corrente somente num sentido e devido a esta característica unidirecional, o mesmo é utilizado para retificar.

O diodo ideal com polarização direta comporta como uma chave fechada e com polarização reversa comporta como uma chave aberta.

O diodo tem resistência direta muito baixa e resistência reversa muito alta.

 

 

Funcionamento do circuito

 

Para o ponto A positivo em relação a  B, o diodo está polarizado diretamente e conduz.

A corrente circula de  A até  B  passando pelo diodo e  RL.

Para o ponto A negativo em relação a  B, o diodo está polarizado inversamente e não conduz. Tem-se corrente em RL somente nos semiciclos positivos de entrada.

Os semiciclos positivos passam para a saída e os semiciclos negativos ficam no diodo.

A freqüência de ondulação na saída é igual à freqüência de entrada.

O retificador de meia onda tem baixa eficiência.

 

 

 

 

 

 

Formas de onda considerando um diodo ideal

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


VCC = VP / π   ou  VCC = 0,45 . Vef . 

VCC é o valor médio da tensão contínua em RL.

VP  é o valor de pico da tensão sendo  .

Vef é o valor eficaz ou rms da tensão alternada de entrada.

 

IL = VCC / RL     e     ID = IL

IL é o valor médio da corrente em RL e ID é o valor médio da corrente no diodo.

IP = VP / RL   sendo  IP  o valor de pico da corrente. 

 

Tensão eficaz em RL = VP / 2  mas a tensão eficaz na entrada é

PIV = -- VP  sendo PIV  o pico inverso de tensão no diodo.

Nota: O diodo deve suportar uma tensão inversa maior do que PIV e uma corrente direta maior que ID.

 

As especificações para o diodo 1N4007 são  IF = 1A  e  VR max = 1000V

Este diodo suporta uma corrente direta de 1A e uma tensão reversa de 1000V.

 

 

I-1)  Sendo a o valor eficaz da tensão VAB = 18 V,  RL = 470 ohms, determine:

 

VCC = 8,1 V       IL = 17,2 mA       ID = 17,2 mA      IP = 54 mA      PIV = - 25,4 V

 

Invertendo o diodo, a tensão de saída será negativa.

O diodo conduz os semiciclos negativos. Os semiciclos positivos ficam no diodo.

 

 

 

 

 

II – Retificador de onda completa utilizando transformador com derivação central.

 

Funcionamento do circuito.

 

Este circuito é também denominado de retificador de onda completa convencional.

Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída do transformador, VA e VB.

As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C  (0V ).

Quando A é positivo, B é negativo, a corrente sai de A passa por D1 e RL e chega ao ponto C.

Quando A é negativo, B é positivo, a corrente sai de B passa por D2 e RL e chega ao ponto C.

Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída.

A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada.

 

Formas de onda considerando diodo ideal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                

VCC = 2.VP / π   ou  VCC =  0,9.Vef

VCC  é o valor médio da tensão contínua em RL.

VP é o valor de pico da tensão .

Vef é o valor eficaz da tensão de entrada (Vef = VAB / 2)

 

IL = VCC / RL      e    ID = IL / 2.

IL é o valor médio da corrente em RL e  ID é o valor médio da corrente nos diodos.

IP  =  VP / RL   onde  IP  é o valor de pico da corrente. 

Tensão eficaz de saída =Tensão eficaz de entrada = VP /

O PIV nos diodos é o pico negativo da tensão VAB.

 

 

 

II-1)  Sendo a o valor eficaz da tensão VAB = 18 V,  RL = 470 ohms, determine:

 

VCC = 8,1 V       IL = 17,2 mA       ID = 8,6 mA        IP = 27 mA        PIV = - 25,4 V

 

 

 

 

 

Invertendo os dois diodos, a tensão de saída será negativa.

Os diodos D1 e D2 conduzem os semiciclos negativos de A e de B para a saída.

 

 

 

 

 

 

 

 

III – Retificador em ponte

 

Funcionamento do circuito.

 

O retificador em ponte dispensa o uso do transformador com tomada central. Com isto, pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede elétrica.

Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D1, RL, D3 e chega ao ponto B.

Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D2, RL, D4 e chega ao ponto A..

Conduzem somente dois diodos de cada vez.

Quando o ponto A é positivo D1 e D3 conduzem.

Quando o ponto A é negativo D2 e D4 conduzem.

Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída.

A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada

 

Formas de onda considerando diodo ideal

 

 

 

 

VCC = 2.VP / π   ou  VCC =  0,9.Vef

VCC  é o valor médio da tensão contínua em RL.

VP é o valor de pico da tensão e  .

Vef é o valor eficaz ou rms da tensão de entrada (Vef = VAB)

IL = VCC / RL      e    ID = IL / 2.

IL é o valor médio da corrente em RL e  ID é a Corrente média nos diodos.

O valor de pico da corrente  IP  =  VP / RL.

Tensão eficaz de saída =Tensão eficaz de entrada = VP /

O PIV nos diodos é o pico da tensão VAB.

PIV = VAB.

 

Nota: Desprezou-se 1,4V de queda de tensão nos diodos.

Tem-se uma queda de 1,4 V visto que conduzem 2 diodos ao mesmo tempo.

 

 

III-1) Sendo a o valor eficaz da tensão VAB = 30 V,  RL = 820 ohms, determine:

 

VCC = 27 V        IL =  33 mA        ID = 16,5 mA      IP = 51,6 mA       PIV = 42,3 V

 

 

 

 

 

 

Invertendo os quatro diodos, a tensão de saída será negativa.

Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D4, RL, D2 e chega ao ponto B.

Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D3, RL, D1 e chega ao ponto A..

Quando o ponto A for positivo  D2 e D4 conduzirão.

Quando o ponto A for negativo D1 e D3 conduzirão.

 

 

 

 

 

 

 

Filtros para fontes de alimentação

A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. É necessário fazer uma filtragem na tensão de saída do retificador. A filtragem nivela a forma de onda na saída do retificador tornando-a próxima de uma tensão contínua pura que é a tensão da bateria ou da pilha. 

A maneira mais simples de efetuar a filtragem é ligar um capacitor de alta capacitância em paralelo com a carga RL e normalmente, utiliza-se um capacitor eletrolítico.

A função do capacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte.

 

Filtro a capacitor para retificador de meia onda.

No semiciclo positivo o diodo conduz e carrega o capacitor com o valor de pico (VP) da tensão. Assim que a tensão de entrada cair a Zero, o diodo pára de conduzir e o capacitor mantém-se carregado e descarrega lentamente em RL. Quando a tensão de entrada fica negativa (semiciclo negativo) o diodo não conduz e o capacitor continua descarregando lentamente em RL. O capacitor recarrega 60 vezes por segundo.

O capacitor carrega de Vmin até VP e neste intervalo de tempo () o diodo conduz.

O capacitor descarregará de VP até Vmin e neste intervalo o diodo não conduzirá.

A Forma de onda na saída está mostrada abaixo.

O voltímetro de tensão contínua indica o valor médio da tensão medida.

Aumentando o capacitor, a tensão de ondulação (Vond) diminui e VCC aumenta.

Aumentando a corrente IL, a tensão de ondulação (Vond) aumenta e VCC diminui.

 

Se Vond tende a zero, a tensão de saída tende ao valor de pico.

VCC = VP para Vond = 0V).

Desligando RL, IL será  0A, o capacitor não descarrega e tem-se Vond = 0V .

 

Para se ter Vond com um valor baixo ao aumentar IL deve-se aumentar o valor do capacitor.

O retificador de meia onda, com filtro a capacitor, é inadequado para alimentar circuitos que exigem um valor alto de corrente, pois além de se utilizar um valor muito alto para o capacitor, o diodo fica sobrecarregado ao conduzir toda a corrente do circuito alimentado.

 

 

O pico inverso de tensão no diodo é o dobro da tensão de pico.  PIV = --2VP

O capacitor aumenta a tensão inversa no diodo devido a que o mesmo permanece carregado quando o diodo não estiver conduzindo.

 

 

Exercícios de fixação

 

1) Sendo VAB =18Vef, C=1000 mF, IL = 180 mA, retificador de meia onda, determine:

 

Resp: V ond = 3 V     VP = 25,4 V     V min = 22,4 V      VCC = 23,9 V      PIV = - 50,8 V

 

Vond = I / ( f.C )   =>  Vond = 180mA / (60Hz . 1000mF)

V ond = 180 .10-3 / (60.1000.10-6  ) =  180 .10-3 / 60.10-3  

Vond = 3 V

 

VP = 18 . 1,41 = 25,4 V

 

V min = VP – Vond  => V min = 25,4V – 3V

V min = 22,4 V

 

VCC = VP – (Vond/2)  => VCC = 25,4V – (3 /2)

VCC = 25,4V –1,5V  

VCC = 23,9 V

 

PIV = -- 2VP

PIV = -- 50,8 V

 

 

 

2) Sendo VCC = 12 Volts, IL = 300 mA, Vond = 2 V, retific. de meia onda determine:

O capacitor e o valor eficaz da tensão alternada na saída do transformador.

 

Resp:     C = 2500 mF                  VAB = 9,2 Vef

 

Solução:

Vond = i / (f . C)          =>  C =  I / (f . Vond)   => C = 300mA / (60Hz . 2V)

C = 300 .10-3 / (60 . 2)  =>  C = 300 .10-3 /120   => C = 2,5 .10-3  F  =>  C = 2500 .10-6 F

C = 2500 mF

VCC = VP -- (Vond / 2

VP = VCC + (Vond / 2)   =>  VP = 12V +1V = 13V

Vef = VP /1,41   => Vef = 13V / 1,41

Vef = 9,2 V    então  VAB = 9,2 Vef

VAB é a tensão eficaz ou rms no secundário do transformador.

 

 

 

Filtro a capacitor para retificador de onda completa

 

Funcionamento

 

A filtragem para o retificador de onda completa é mais eficiente do que para o retificador de meia onda. Em onda completa o capacitor será recarregado 120 vezes por segundo. O capacitor descarrega durante um tempo menor e com isto a sua tensão permanece próxima de VP até que seja novamente recarregado.

Quando a carga RL solicita uma alta corrente é necessário que o retificador seja de onda completa.

As equações para onda completa são as mesmas utilizadas para meia onda, no entanto, a freqüência de ondulação para onda completa é de 120 Hz.

 

VCC = VP – Vond / 2     

VCC é o valor médio da tensão contínua na saída.

 

VP é o valor de pico da tensão no capacitor (não foi considerada a queda de tensão nos diodos).

Vef é o valor eficaz da tensão de saída do transformador (VAB)

 

Vond = IL / ( f . C)       sendo  f = 120 Hz para onda completa

Vond é a tensão de ondulação ou de ripple na saída. Quanto menor Vond, mais próxima de uma tensão contínua será a tensão de saída.

IL é a corrente em RL

f é a freqüência de ondulação na saída e é igual a 120 Hz para onda completa.

C é o valor do capacitor em FARADS ( 2200 μF = 2200 . 10--6 F)

 

Se Vond tende a zero, a tensão de saída tende ao valor de pico.

VCC = VP para Vond = 0V .

Sem RL, a corrente IL será 0A, o capacitor não descarregará e tem-se Vond = 0V.

 

 

Exercícios

 

1)  Sendo IL = 1,5 A,  VAB = 30 Vef,  C = 2200 10-3 mF, determine:

 

Resp:    Vond = 5,7 V         VCC = 39,5 V

 

 

2) Sendo IL = 500 mA, VCC = 12V, Vond = 2V, determine o valor do capacitor e da tensão de saída do transformador

 

C = 2083 mF         (O valor comercializado mais próximo é de 2200mF)

 

VAB = 9,2 Vef

 

 

 

 

Formas de onda na saída para uma filtragem em meia onda e em onda completa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Filtro a capacitor para retificador de onda completa

 

    

 

Exercícios.

 

1)  Sendo  IL = 600 mA,  C = 1000 mF,  VAB = 18 Vef, determine:

 

Resp:     Vond = 5 V         VCC = 10,2 V

 

2) Sendo IL = 300 mA,  VCC = 20V, Vond = 2,5 V, determine o valor do capacitor e da tensão de saída do transformador.

 

Resp:     C = 1000 mF       VAB = 30 Vef

 

 

 

 

Considerações

Para os circuitos retificadores com filtro a capacitor estudados desconsiderou-se a queda de tensão nos diodos que é de aproximadamente 0,7V para diodos de Silício.

No retificador de meia onda e de onda completa convencional, o pico de tensão no capacitor é o pico de tensão de entrada menos 0,7V isto é, -- 0,7V. Conseqüentemente o valor de VCC será 0,7V abaixo do valor calculado.

No retificador em ponte diminui-se 1,4V visto que dois diodos conduzem ao mesmo tempo

-- 1,4V        Vp  a tensão de pico no capacitor de filtro.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Para uma tensão de ondulação muito pequena como o que é exigido pelos circuitos pré-amplificadores de áudio, transmissores de RF, circuitos digitais etc, deve-se utilizar um circuito regulador de tensão na saída do retificador com filtro.

 

Abaixo, tem-se o diagrama em blocos de uma fonte de alimentação com tensão de saída regulada.

 

Exemplo de uma fonte regulada com uma tensão de +5V  na saída.

O transformador abaixa a tensão alternada de 127V (rede elétrica) para 7,5V. Os diodos retificam esta tensão alternada de 7,5V. A saída dos diodos é uma tensão contínua pulsante. O capacitor C de 2200 mF filtra esta tensão pulsante e a torna mais próxima de uma tensão contínua pura.

O regulador de tensão (7805) estabiliza a tensão de saída em 5V. A tensão de saída é praticamente igual a uma tensão contínua pura de 5V onde Vond = 0V.

 

 

Para uma tensão de  +12V na saída, troque o 7805 pelo 7812 e utilize o retificador em ponte como mostrado abaixo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fonte simétrica com tensão de saída NÃO-REGULADA.

 

Tem-se dois diodos conduzindo simultaneamente e assim que conduzem carregam C1 e C2 com a tensão de pico .

Para A positivo em relação  a  B  conduzem D1 e D3.

Para A negativo em relação a  B  conduzem D4 e D2.

C3 e C4 eliminam os ruídos de RF (radiofreqüência).

 

Outra maneira de desenhar o circuito da fonte simétrica acima.

 

 

 

 

 

 

 

 

Fonte simétrica com tensão de saída REGULADA.

 

Nos reguladores 78XX, o pino 1 é a entrada e o pino 2 é o comum (ligado ao terra).

Nos reguladores 79XX, o pino 2 é a entrada e o pino 1 é o comum (ligado ao terra).

O  pino 3 é a saída tanto para o 78XX quanto para o 79XX.

 

Fonte regulada e ajustável de 1,25V a 16,5V com o LM317