6. RETIFICADORES MONOFÁSICOS A DIODO
6.3. Retificador de onda completa em ponte
Também chamado de ponte retificadora, o circuito retificador monofásico de onda completa em ponte se utiliza de 4 diodos para fazer o mesmo efeito que o circuito anterior. Observe o circuito.
Figura 57: Circuito do retificador monofásico de onda completa em ponte
No semi-ciclo positivo, a tensão no anodo de D1 e no catodo de D4 é positiva e no anodo de D2 e no catodo de D3 é negativa. Dessa forma, D1 e D3
estarão conduzindo e D2 e D4 bloqueados, como mostra a figura (a) abaixo. No semi-ciclo negativo a situação se inverte, com D2 e D4 conduzindo e D1 e D3
bloqueados.
Figura 58: Funcionamento da ponte retificadora no semi-ciclo positivo (a) e negativo (b)
Note que a corrente circula pela fonte em ambos os sentidos, pois a corrente é alternada. Já no resistor de carga, a corrente circula sempre pelo mesmo sentido, pois ocorre a inversão do sentido quando mudam os diodos que estão conduzindo mudam.
As formas de onda são exatamente iguais às do retificador de ponto médio, com exceção de que a tensão reversa sobre os diodos é igual a VOm e não duas vezes, como no circuito anterior. Assim, a tensão reversa sobre os diodos será:
𝑉𝑅𝐷= √2 ∙ 𝑉2
Além disso, como a corrente passa por dois diodos, se a queda de tensão for considerada, deve-se adotar para a tensão máxima na carga:
𝑉𝑂𝑚= √2 ∙ 𝑉2𝑟𝑚𝑠− 2 ∙ 𝑉𝛾
Geralmente a ponte retificadora é representada em outro formato, como mostrado no circuito adiante.
Figura 59: Formato comum para a ponte retificadora
A configuração com 4 diodos da ponte retificadora é tão utilizada que os fabricantes disponibilizam pontes retificadoras encapsuladas, de forma a facilitar a instalação e projeto, além de simplificar a dissipação. A grande desvantagem é que se houver algum problema, deve-se trocar a ponte inteira.
Abaixo são mostrados alguns modelos de ponte encapsulada.
Figura 60: Modelos comerciais de pontes retificadoras
Da mesma forma que no circuito de meia-onda, um retificador em ponte também pode alimentar uma carga indutiva. O circuito é mostrado abaixo.
Figura 61: Ponte retificadora com carga indutiva
Como no caso anterior, o indutor armazena energia, porém, como sempre há algum par de diodos conduzindo, a corrente da carga torna-se contínua. Abaixo são mostradas as formas de onda de um circuito retificador de onda completa em ponte para o caso em que 𝑋𝐿 ≫ 𝑅.
Figura 62: Formas de onda de um retificador de onda completa com carga indutiva
Note que a corrente na carga é constante, devido ao acúmulo de energia no indutor. Logicamente que existe uma pequena oscilação devido ao decrescimento da tensão da fonte, mas este valor é tipicamente muito pequeno. A corrente do transformador é idêntica à da carga, porém quando os diodos D2 e D4 estiverem conduzindo, será negativa no transformador, mas positiva na carga, devido à inversão do sentido nos diodos.
A tensão média e a tensão eficaz são calculadas da mesma forma que no circuito com carga resistiva, já que a forma de onda é igual, assim como a corrente média na carga. A corrente eficaz na carga é igual à corrente média, já que é constante. A corrente nos diodos é função da corrente de carga.
Observe.
𝐼𝑂𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑂 𝐼𝐷 =𝐼𝑂
2
O circuito retificador em ponte é de longe o mais utilizado, principalmente pela boa eficiência e pela simplicidade. Quando é exigido alto nível de corrente nos diodos, acaba se tornando caro devido o preço de cada diodo. Outra desvantagem é a queda de tensão pelos dois diodos. A tabela a seguir compara os 3 tipos de retificador e suas vantagens e desvantagens.
Tabela comparativa entre os 3 tipos de retificadores monofásicos
Característica Meia-onda Ponto médio Ponte
Ângulo de condução 180º 360º 360º
Quantidade de
diodos 1 2 4
Transformador Não necessário Com saída simétrica Não necessário Queda de tensão nos
diodos 𝑉𝛾 𝑉𝛾 2 ∙ 𝑉𝛾
Tensão reversa nos
diodos √2 ∙ 𝑉2 2 ∙ √2 ∙ 𝑉2 √2 ∙ 𝑉2
Custo Baixo Médio para alto Alto em correntes
maiores
Eficiência Baixa Alta Alta
6.4. Filtro capacitivo para retificadores a diodo
Quando observamos a forma de onda na saída dos retificadores apresentados anteriormente, fica difícil associar o formato da tensão com uma tensão contínua. Na verdade, é uma tensão contínua, mas é também pulsante, pois a tensão possui uma única polaridade, apesar do valor instantâneo não ser constante.
Para diminuir essa variação do valor instantâneo da tensão de carga, utiliza-se geralmente um capacitor em paralelo, que é carregado pelo pico de tensão de carga e, quando a tensão da fonte diminui, este mantém a tensão em um nível mais alto até que venha novo pulso.
Na prática, o capacitor faz a tensão de carga variar mais lentamente, diminuindo a freqüência da forma de onda e tornando-a mais próxima de uma tensão puramente contínua.
O circuito retificador em ponte com filtro capacitivo é mostrado abaixo.
Figura 63: Retificador em ponte com filtro capacitivo
O capacitor ligado em paralelo com a carga evita que a tensão chegue próxima a zero e aumenta o valor da tensão média. A desvantagem é que a oscilação da tensão de carga depende do valor do capacitor e também da corrente de carga. Quanto maior a corrente de carga, mais rápido o capacitor de descarrega e maior é a oscilação. Normalmente o capacitor é projetado para uma oscilação máxima quando o retificador estiver fornecendo corrente máxima. Qualquer valor de corrente menor oferecerá oscilação também menor.
Abaixo são mostrados dois exemplos de forma de onda de tensão na carga com filtro capacitivo, considerando pequena corrente de carga e grande corrente de carga.
Figura 64: Formas de onda de tensão com pequena (a) e grande (a) corrente de carga
Note que estas formas de onda são muito mais parecidas com uma corrente constante do que as anteriores. Aumentando-se o valor do capacitor, diminui-se a oscilação, também chamada de ripple, aumentando-se o valor médio na carga. O problema de se aumentar demais o capacitor, é que quando for ligado o circuito, a tensão na carga pode demorar demais a crescer, devido à carga lenta do capacitor. Outro ponto a ser considerado é o aumento do custo e do tamanho do capacitor. O ideal é que se procure um valor satisfatório de oscilação, de forma a não onerar o projeto e manter um bom desempenho mesmo na hora de ligar o retificador.
Figura 65: Tensão de oscilação ou ripple
A amplitude de oscilação Vripple será dada por:
∆𝑉 = 𝐼𝑂 𝑓𝑜𝑠𝑐∙ 𝐶
Assim, isolando-se C na equação acima, pode-se ter uma base para dimensionamento do valor do capacitor necessário para limitar a tensão de ripple a um valor satisfatório.
𝐶 ≥ 𝐼𝑂𝑚𝑎𝑥
∆𝑉𝑚𝑎𝑥∙ 𝑓𝑜𝑠𝑐
A tensão média é calculada considerando-se a tensão máxima e a média da tensão de ripple, conforme equação abaixo.
𝑉𝑂 = 𝑉𝑂𝑚−∆𝑉 2
A tensão VOm é a mesma para os circuitos sem filtro capacitivo. Deve-se sempre lembrar que a máxima oscilação na carga ocorrerá com o maior valor de corrente requerido para o circuito. Observe o exemplo:
Exemplo: um circuito retificador de onda completa, ligado a uma rede de 220 V e 60 Hz, alimenta uma carga cuja corrente máxima é de 250 mA. Sabendo-se
que a tensão de pico na carga é de 18 V, dimensione qual valor de capacitor deve ser utilizado como filtro para que a máxima oscilação de tensão seja de 2 V.
O valor de ΔV é 2 V e IOmax é 250 mA, faltando apenas calcular fosc. Como é um circuito de onda completa, a freqüência de saída é o dobro da freqüência de entrada, ou seja, 120 Hz. O valor da capacitância deve ser:
𝐶 ≥ 𝐼𝑂𝑚𝑎𝑥
∆𝑉𝑚𝑎𝑥∙ 𝑓𝑜𝑠𝑐 𝐶 ≥ 0,25
2 ∙ 120 𝐶 ≥ 1042 ∙ 10−6
Deve-se ter um capacitor maior que 1042 µF. O primeiro valor comercial acima desse valor é 1200 µF, que será o capacitor escolhido. Como a tensão de pico na carga, que também é a do capacitor será 18 V, pode-se utilizar um capacitor com tensão máxima de 25 V.
6.5. Regulador de tensão
Apesar de o capacitor melhorar bastante o formato da onda de tensão na carga, a corrente ainda não é totalmente contínua, devido ao ripple. Uma forma de tornar a tensão na carga praticamente constante é utilizar um regulador de tensão, que é um circuito integrado cuja função é minimizar ao máximo o ripple de formas de onda de tensão.
Um modelo muito utilizado é o da família LM78XX, onde XX representa a tensão de saída. Abaixo é mostrado o formato do CI e a pinagem.
São reguladores com encapsulamento TO-220 e capacidade de 1,5 ADC
e tensões de 5 a 24 VDC. Uma característica importante destes reguladores é que a tensão de entrada deve ser sempre maior que a tensão de saída. O LM7812, por exemplo, fornece 12 VDC na saída desde que a tensão de entrada não seja inferior a 14,5 V. O uso do capacitor de filtragem, nesse caso, é imprescindível. Abaixo é mostrado um circuito retificador de onda completa em ponte com regulador de tensão.
Figura 67: Retificador em ponte com regulador de tensão