Laboratório de Eletrônica Potência – 2º Semestre de 2009

RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETAÀ DIODOS – EXPERIMENTO NO 4

Turma: T3 Data: 18 /11 / 09

Docente: Flávio A. S. Gonçalves

Resumo: Os diodos,assim como os outros componentes eletrônicos, têm múltiplas utilizações. Neste experimento foi estudado os retificadores monofásicos à diodos de vários tipos: retificador de meia onda com carga resistiva, retificador de meia onda com carga resistiva-indutiva ,retificador com diodo de circulação, retificador de onda completa com ponto médio e carga resisitiva, retificador de onda completa com ponto médio e carga risistiva-indutiva, retificador em ponte com carga resisitiva e risistiva-indutiva.

Palavras Chaves: Retificadores à diodos, meia onda, onda completa.

1. INTRODUÇÃO

A retificação destina-se a obter uma forma de onda na carga unidirecional, a partir de uma rede alternada. Apenas por retificação não é possível obter uma tensão contínua. Circuitos retificadores mais simples envolvem apenas um díodo.

Um diodo é um elemento retificador, pois conduz num sentido e não conduz no outro. Para ser mais preciso, quando está polarizado inversamente, conduz uma insignificante corrente no sentido inverso (chamada corrente inversa de saturação). Quando está polarizado diretamente, conduz corrente no sentido direto, mas provoca uma queda de tensão no circuito. Se o díodo for de silício, esta tensão é de 0,6 a 0,7 V. Concretamente, se a tensão direta aplicada ao díodo não ultrapassar 0,5 V, ele não conduz (ou conduz uma corrente de muito pequeno valor).

1.1. RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA À DIODO.

Teoricamente o retificador monofásico de meia onda é o mais simples das estruturas empregadas em eletrônica de potência. Ele é comumente utilizado para fazer alimentação da armadura de pequenos motores de corrente contínua, alimentação de enrolamentos de excitação de máquinas elétricas, carregamento de baterias e alimentação de circuitos eletrônicos. Na Figura 1 temos um exemplo de um circuito retificador de meia onda.

Figura 1 – Circuito Retificador de Meia Onda à diodo com carga puramente resistiva.

As formas de ondas resultantes do circuito apresentado na Figura 1 estão demonstradas na Figura 2:

Figura 2 – Formas de Ondas referentes a um Circuito Retificador de Meia Onda à diodo com carga puramente resistiva.

Ao acrescentar um indutor junto à carga resistiva temos uma mudança no comportamento das formas de ondas de corrente e de tensão, como demonstrado na Figura 3.

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Figura 3 – Formas de Ondas referentes a um Circuito Retificador de Meia Onda à diodo com carga RL.

Devido à presença da indutância, o diodo não se bloqueia quando ωt=π. O bloqueio ocorre no ângulo β, que é superior a π. Enquanto a corrente de carga não se anula, o diodo se mantém em condução e a tensão de carga, para ângulos superiores a π, torna-se instantaneamente negativa.

Para evitar que a tensão de carga torne-se instantaneamente negativa devido à presença da indutância, emprega-se o diodo de roda-livre (DRL). A estrutura adquire assim a forma apresentada na Figura 4:

Figura 4 – Circuito Retificador de Meia Onda à diodo com carga RL com presença de Diodo de Circulação (DRL).

As formas de onda relativas ao retificador de meia onda com diodo de roda-livre estão representadas na Figura 5:

Figura 5 – Formas de Ondas referentes ao Circuito Retificador de Meia Onda à diodo com carga RL com presença de Diodo de Circulação

(DRL).

1.2. RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE ONDA COMPLETA À DIODO.

A Figura 6 ilustra um Retificador monofásico de onda completa à diodos com ponto médio.

Figura 6 – Circuito Retificador de Meia Onda à diodo com ponto médio (derivação central).

A estrutura é composta basicamente de um transformador com ponto médio no secundário, dois diodos e uma carga. A carga pode ser resistiva, capacitiva, indutiva ou mista. Em aplicações de potência normalmente alimenta-se um carga RL.

A estrutura em questão, em aplicações de potência, pode ser empregada na alimentação dos motores de corrente contínua, alimentação de circuitos eletrônicos, enrolamento de campo de máquinas elétricas, carregadores de baterias, etc.

Os retificadores de onda completa em ponte possuem em sua estrutura um transformador, quatro diodos em ponte (D1, D2, D3, D4). O circuito é mostrado na Figura 7.

Figura 7 – Circuito Retificador de Onda Completa à diodo com ponto médio (derivação central).

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2. DESENVOLVIMENTO E METODOLOGIAS

I – RETIFICADOR 1Φ DE MEIA ONDA, CARGA R

Montou-se o circuito da Figura 8 e conectou-se o osciloscópio em VD (CH1) e VO (CH2) para analisar o comportamento do circuito. As formas de onda estão apresentadas na Figura 9.

Figura 8 - Retificador monofásico de meia onda à diodo com carga R.

Figura 9 - Forma de onda no diodo (CH1) e na carga R (CH2).

Para o ponto A positivo em relação ao ponto B o diodo está polarizado diretamente e conduz . Com isto, a corrente circula de A até B passando pelo diodo e carga.

Para A negativo em relação a B, o diodo está polarizado inversamente e não conduz. De maneira geral, os semiciclos

positivos da fonte de alimentação passam para a carga e os negativos ficam no diodo, como se observa na Figura 9.

Através do software de simulação encontraram-se os valores teóricos de ID, VO e VD esperados para o circuito e em seguida realizou-se a medida dos mesmos. Foram coletados os valores médio, eficaz e de pico, relacionados na Tabela 1.

Tabela 1 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 8.

Experimental TeóricoID médio (A) 0,202 0,246ID eficaz (A) 0,341 0,386VO médio (V) 4,69 5,42VO pico (V) 15,6 16,97VD pico (V) -18,40 -16,97ID pico (A) 0,264 0,771

II - RETIFICADOR 1Φ DE MEIA ONDA, CARGA R-L

Adicionou-se um indutor em série com o resistor conforme mostrado na Figura 10. Também se acoplou os canais do osciloscópio para obter as formas de onda de VD (CH1) e VO

(CH2). O circuito foi ensaiado com duas indutâncias diferentes:

L1: 50,7 mH e RS = 27,0Ω;L2: 140,8 mH e RS = 20,7Ω.

Figura 10 – Retificador monofásico de meia onda à diodo com carga R-L.

Este circuito possui funcionamento análogo ao anterior, sua única diferença é a presença de um indutor L em série com a resistência R1.

A presença deste indutor provoca um deslocamento na corrente em relação à tensão devido a sua propriedade de armazenamento de energia. Tal deslocamento provoca um retardo no instante que a corrente atinge o zero, o que faz com que a tensão atinja valores negativos, perdendo a característica de continuidade de tensão.

As formas de onda obtidas pelo osciloscópio para L=L1 e

L=L2 estão apresentadas, respectivamente, na Figura 11 e Figura 12.

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Figura 11 – Forma de onda no diodo (CH1) e na carga R-L (CH2), para L=L1.

Figura 12 – Forma de onda no diodo (CH1) e na carga R-L (CH2), para L=L2.

O que pode ser observado nestas formas de onda é que quanto maior o valor da indutância L em relação ao valor da resistência R1, maior será o tempo que o diodo conduzirá , chegando a apresentar tensões negativas na carga por um certo tempo. Isto é devido a um tempo maior para que a corrente chegue a zero e conseqüentemente fazer com que o diodo se bloqueie.No caso onde a a resistência R1 for muito maior que L, a corrente se torna zero muito mais rapidamente e assim a tensão negativa na carga se apresentará por um tempo muito menor.

Mediu-se valores de IDmédio, IDeficaz VOmédio e o ângulo β do circuito em ambas as condições de L. Os valores obtidos então na Tabela 2.

Tabela 2 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 10.

L1 L2

Exper. Teórico Exper. TeóricoID médio (A) 0,091 0,107 0,089 0,102ID eficaz (A) 0,148 0,164 0,130 0,147VO médio (V) 4,30 5,23 3,70 4,34β (graus) 203,9 201,3 259,0 232,9

Como pode ser visto na Tabela 2 , com o aumento do valor da indutância L , há um aumento do ângulo β (graus), que se

caracteriza por ser o ângulo onde a corrente na carga chegue a zero e onde há o corte do diodo.

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III - RETIFICADOR 1Φ DE MEIA ONDA, COM DIODO DE CIRCULAÇÃO, CARGA R-L

Montou-se o circuito da Figura 13 para estudar seu comportamento com diodo de circulação.

Figura 13 – Retificador monofásico de meia onda com diodo de circulação, carga R-L.

Durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação, o diodo D1 conduz a corrente de carga e o diodo D2, polarizado reversamente, encontra-se bloqueado.

Durante o semiciclo negativo da tensão, a corrente de carga, por ação da indutância, circula no diodo de "roda-livre" D2, polarizado diretamente nesta etapa. Em conseqüência, o diodo D1, polarizado reversamente, se bloqueia.

Registraram-se, com o osciloscópio, as formas de ondas da tensão e corrente nos diodos (D1 e D2) e na carga. A corrente foi obtida através do artifício de se medir a tensão sobre um resistor de 1Ω. As formas de onda de D1, D2 e da carga encontram-se respectivamente na Figura 14, Figura 15 e Figura 16.

Figura 14 – Forma de onda da tensão VD1 (CH1) e corrente VID1 (CH2) no diodo D1.

Figura 15 – Forma de onda da tensão VD2 (CH1) e corrente VID2 (CH2) no diodo D2.

Figura 16 – Forma de onda da tensão VO (CH1) e corrente VIO (CH2) na carga R-L.

Encontrou-se valores teóricos e experimentais de IOmédio, IOeficaz e VOmédio, como também das correntes médias nos diodos, mostrados na Tabela 3.

Tabela 3 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 13.

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Experimental TeóricoIO médio (A) 0,179 0,126IO eficaz (A) 0,207 0,156VO médio (V) 5,20 5,40ID1 médio (A) 0,109 -ID2 médio (A) 0,062 -

IV - RETIFICADOR 1Φ DE ONDA COMPLETA COM PONTO MÉDIO, CARGA R

Montou-se o circuito da Figura 17 e registrou-se as formas de onda da tensão e corrente sobre os diodos D1 e D2 e a carga, mostradas respectivamente na Figura 18, Figura 19 e Figura 20.

Figura 17 – Retificador de onda completa com ponto médio, carga R.

As tensões VA e VB (defasadas em 180º) são medidas em relação à VC (0V). Quando VA for positivo, VB será negativo, a corrente sai do ponto A, passa por D1 e R1 e chega ao ponto C. Quando VA for negativo, VB será positivo, e a corrente sai do ponto B, passa por D2 e R1 e chega ao ponto C.

Para qualquer polaridade de VA ou de VB, a corrente Io

circula num único sentido na carga e, portando, a corrente na carga é contínua.

Figura 18 – Forma de onda da tensão VD1 (CH1) e corrente VID1 (CH2) no diodo D1.

Figura 19 – Forma de onda da tensão VD2 (CH1) e corrente VID2 (CH2) no diodo D2.

Figura 20 – Forma de onda da tensão na carga VO.

Obteve-se os valores teóricos e experimentais de ID1médio, ID2médio, VOmédio, IOmédio e IOeficaz e também dos valores de pico da tensão nos diodos e na carga, relacionados na Tabela 4.

Tabela 4 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 17.

Experimental TeóricoID1 médio (A) 0,094 0,123

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ID2 médio (A) 0,097VO médio (V) 4,20 5,40IO médio (A) 0,186 0,246IO eficaz (A) 0,216 0,273VO pico (V) 7,28 8,48VD1 pico (V) -17,0

-16,97VD2 pico (V) -16,8

As diferenças encontradas entre os valores teóricos e os prático podem estar associados a presença das resistências R2 e R3, que no circuito simulado não estão presentes, apesar de serem muito baixas.

V - RETIFICADOR 1Φ DE ONDA COMPLETA COM PONTO MÉDIO, CARGA R-L

Montou-se o circuito da Figura 21, semelhante ao circuito anterior, porém com uma indutância em serie com a resistência R1. Registrou-se as formas de onda da tensão e corrente sobre os diodos D1 e D2 e a carga e também da tensão na entrada de alimentação V, mostradas respectivamente na Figura 22, Figura 23 e Figura 24.

Figura 21 – Circuito retificador de onda completa com ponto médio, carga R-L.

Figura 22 – Forma de onda da tensão VD1 (CH1) e corrente VID1 (CH2) no diodo D1.

Figura 23 – Forma de onda da tensão VD2 (CH1) e corrente VID2 (CH2) no diodo D2.

Figura 24 – Forma de onda da tensão VO (CH1) e corrente VIO (CH2) na carga.

Obteve-se os valores teóricos e experimentais de ID1médio, ID2médio, VOmédio, IOmédio e IOeficaz e também dos valores de pico da tensão nos diodos e na carga, relacionados na Tabela 5.

Tabela 5 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 21.

Experimental TeóricoID1 médio (A) 0,043

0,055ID2 médio (A) 0,045VO médio (V) 4,40 5,40IO médio (A) 0,088 0,110IO eficaz (A) 0,097 0,118VO pico (V) 8,40 8,48VD1 pico (V) 17,6

-16,97VD2 pico (V) 17,4

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VI - RETIFICADOR 1Φ DE ONDA COMPLETA EM PONTE, CARGA R

Montou-se o circuito da Figura 25 e registrou-se as formas de onda da tensão e corrente sobre os diodos D1 e D2 e a carga, mostradas respectivamente na Figura 26, Figura 27 e Figura 28.

Figura 25 – Circuito retificador de onda completa à diodos em ponte, carga R.

Quando a tensão no ponto A é positiva em relação ao B, a corrente sai de A, passa por D1, R1, D3 e chega ao ponto B. Quando a tensão no ponto A é negativa em relação ao B, a corrente sai de B, passa por D2, R1, D4 e chega ao ponto A.

Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IO circula num único sentido em R1 e por isto, a corrente na carga é contínua. Somente os semiciclos positivos passam para a saída.

Figura 26 – Forma de onda da tensão VD1 (CH1) e corrente VID1 (CH2) no diodo D1.

Figura 27 – Forma de onda da tensão VD2 (CH1) e corrente VID2 (CH2) no diodo D2.

Figura 28 – Forma de onda da tensão VO (CH1) e corrente VIO (CH2) na carga.

Obteve-se os valores teóricos e experimentais de ID1médio, ID2médio, VOmédio, IOmédio e IOeficaz e também dos valores de pico da tensão nos diodos e na carga, relacionados na Tabela 6.

Tabela 6 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 25.

Experimental TeóricoID1 médio (A) 0,081

0,123ID2 médio (A) 0,082VO médio (V) 3,65 5,40IO médio (A) 0,161 0,246IO eficaz (A) 0,192 0,273VO pico (V) 6,40 8,48VD1 pico (V) -8,30

8,48VD2 pico (V) -8,16

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VII - RETIFICADOR 1Φ DE ONDA COMPLETA EM PONTE, CARGA R-L

Montou-se o circuito da Figura 29, semelhante ao circuito anterior, porém com uma indutância L1 em série com R1. Registrou-se as formas de onda da tensão e corrente sobre os diodos D1 e D2 e a carga, e também da tensão de entrada V, mostradas respectivamente na Figura 30, Figura 31, Figura 32 e Figura 33.

Figura 29 – Circuito retificador de onda completa à diodos em ponte, carga R-L.

Figura 30 – Forma de onda da tensão VD1 (CH1) e corrente VID1 (CH2) no diodo D1.

Figura 31 – Forma de onda da tensão VD2 (CH1) e corrente VID2 (CH2) no diodo D2.

Figura 32 – Forma de onda da tensão VO (CH1) e corrente VIO (CH2) na carga R-L.

Figura 33 – Forma de onda da corrente VIin, na entrada da alimentação.

Obteve-se os valores teóricos e experimentais de ID1médio, ID2médio, VOmédio, IOmédio e IOeficaz , relacionados na Tabela 7.

Tabela 7 – Medidas teóricas e experimentais do circuito da Figura 29.

Experimental TeóricoID1 médio (A) 0,039

0,055ID2 médio (A) 0,039VO médio (V) 4,80 5,4IO médio (A) 0,079 0,110IO eficaz (A) 0,088 0,118

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3. DISCUSSÂO DOS RESULTADOS

De acordo com os circuitos experimentais, testados em laboratório pode-se fazer algumas observações em relação aos retificadores.

Para o retificador de meia onda observa-se uma baixa eficiência. A freqüência de ondulação na saída é igual à freqüência de entrada. Para evitar que a tensão na carga se torne instantaneamente negativa devido à presença da indutância (ângulo de condução maior do que p ), emprega-se o diodo de "roda-livre".Se a corrente de carga se anula em cada ciclo de funcionamento da estrutura, a condução é dita descontínua. Caso contrário, ela é dita contínua.

O fato da condução tornar-se contínua ou não, é conseqüência da constante de tempo da carga. Para constantes de tempo elevadas (L muito grande) a condução poderá ser contínua. A condução contínua pode apresentar maior interesse prático, pois implica numa redução das harmônicas da corrente de carga.

No circuito retificador de onda completa com carga puramente resistiva, a freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada. Já para o caso onde a carga tem característica também indutiva RL, a indutância reduz o conteúdo harmônico da corrente. Para indutâncias elevadas pode-se ter uma corrente de carga praticamente contínua.

Retificadores em ponte com carga puramente resistiva dispensa o uso do transformador com tomada central e com isto, pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede elétrica.A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada. Quando se utiliza cargas indutivas há o aparecimento de distorções nas formas de ondas, decorrente do efeito indutivo sobre a corrente.

4. CONCLUSÕES

Neste experimento foi possível se familiarizar com os retificadores de vários tipos, comos os retficadores de onda completa , meia onda e retificadores com diodo de roda livre; nestes retificadores foi utilizados tanto cargar puramente resistivas, assim como cargas indutivas.

No circuito retificador de onda completa em ponte foi observado o aparecimento de formas de onda da tensão e corrente distorcidas no primário do transformador devido à existência de componentes DC no secundário que não aparecem no primário.Estas componentes causam um deslocamento da característica ferromagnético do transformador devido ao desequilíbrio entre as potências aparentes do primário e do secundário. Isto indica que esse tipo de retificador não apresenta aplicação prática e é utilizado apenas para fins didáticos uma vez que a tensão média e a potência média obtida na carga para esta configuração são muito baixas.

Observou-se também que em retificadores que alimentam cargas indutivas ocorre condução durante o semi-ciclo negativo da tensão e este problema pode ser resolvido com a utilização de um diodo de roda livre que se encarrega de conduzir durante o período em que ocorreria a condução no semi-ciclo negativo. A indutância é importante quando se deseja uma forma de onda contínua da corrente na carga e, quanto maior é o valor da mesma, mais contínua se apresentará a corrente na carga.

Foi observado que na utilização do retificador em ponte, há uma vantagem de um esforço de tensão menor sobre os diodos, entretanto precisa-se de um número maior de diodos para este circuito. No retificador de Ponto Médio há a utilização de dois diodos, porém necessita-se de um transformador de ponto médio.

5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

Huang, H. S. and Lu, C. N (1994). Efficient Storage Scheme and Algorithms for W-matrix Vector Multiplication on Vector Computers. IEEE Transactions on Power Systems, Vol.9, No. 2; pp. 10831094.

Kostenko, M. and Piotrovsky, 1970, L., Electrical Machines, part 2, Mir, Russia.

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