Experiência 5 -Trasnformador

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Universidade do Estado do Amazonas – UEA
Escola Superior de Tecnologia – EST
Relatório 05
Transformador – Circuito Retificador de meia onda e onda completa Instrumentação Básica
Manaus, 10 de Abril de 2013
Hiuri Santana de Noronha - 1215090251
Israel Félix de Moura Tôrres - 1215090043
Transformador – Circuito Retificador de meia onda e onda completa Instrumentação Básica
Relatório para obtenção de nota parcial da AP1, na disciplina de Instrumentação Básica ministrada pelo professor Weverson Cirino.
Manaus, 10 de Abril de 2013
 
 
 
INTRODUÇÃO
 
REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Transformador
 
 2.1.1 Definição
 
O transformador básico é constituído de dois enrolamentos, conhecido como enrolamento primário e secundário, dispostos de tal forma que o fluxo magnético produzido por um dos enrolamentos age sobre o outro, significando que os dois enrolamentos se encontram magneticamente acoplados. A figura 1a ilustra um transformador básico, e a figura 1b a sua simbologia.
Figura 1 – (a) Componentes de um transformador; (b) Simbologia do transformador.
 
 (a) (b)
2.1.2 Equação de um Transformador
Num transformador ideal, onde as perdas envolvidas não são consideradas, as seguintes relações devem ser observadas.
Relação I: A relação entre os módulos das tensões induzidas no enrolamento primário e secundário é igual a relação entre os números de espiras dos enrolamentos correspondentes.
Onde: Ep= Tensão do primário;
 Es= Tensão no secundário;
 Np= Espiras do primário;
 Ns= Espiras do secundário;
Relação II: A razão entre as correntes no primário e do secundário de um transformador é inversamente proporcional à relação de espiras.
Onde: a relação de espiras é: ;
 Ip= corrente do primário;
 Is= corrente do secundário;
Relação III: Desenvolvendo a Relação II vemos que a potência de entrada é igual a potência de saída.
 
 
Onde: Pp= potência do primário;
 Ps= potência do secundário;
Com esse resultado em um transformador ideal, a potência de entrada é igual a potência de saída.
2.1.3 Tipos de Transformador
O tipo de transformador pode ser classificado em relação a razão de espiras:
Onde: a= razão de espiras;
 Np= Espiras no primário;
 Ns= Espiras no secundário;
Transformador Elevador: Quando , o transformador é chamado de transformador elevador de tensão, visto que nesta condição, a tensão do secundário é maior do que a tensão no primário.
 , ou e 
Transformador Abaixador: Quando , , o transformador é chamado de transformador abaixador de tensão, visto que, nesta condição, a tensão do secundário é menor do que a tensão no primário.
 ou e 
Transformador Isolador: Quando , o transformador é denominado transformador isolador, pois não há elevação ou diminuição da tensão do primário para o secundário.
2.1.4 Convenção dos Pontos 
A convenção dos pontos de um transformador é utilizada pra indicar o sentido de corrente que entra em cada enrolamento. O ponto também indica a relação de polaridade entre um enrolamento e outro, determinado no processo de construção do transformador, durante a fase de enrolamento das espiras. A polaridade é determinada da seguinte forma: tensão de entrada com polaridade positiva no ponto, indica polaridade positiva no ponto do secundário, conforme ilustrado nas figuras 2a e 2b; tensão de entrada com polaridade negativa no ponto indica que no ponto do secundário também tem uma tensão com polaridade negativa.
Figura 2 – Convenção de pontos em um transformador.
 
 (a) (b)
O capacitor utilizado nessa experiência tem uma entrada de 110V no primário e saída de 12V. Ele tem a seguinte construção conforme a figura 3.
Figura 3 – Construção do transformador utilizado
Onde A, B e C representam as saídas do secundário onde VAC= VAB + VBC. E a entrada no primário é representada pela entrada da rede alternada.
2.2 Circuitos Retificadores
O transformador é utilizado para a redução da tensão da rede de alimentação para valores de tensão AC com nível de pico próximo a tensão DC da saída. A tensão de saída no secundário do transformador ainda é uma tensão alternada com um semiciclo com polaridade positiva, e outra metade do semiciclo com tensão negativa. O circuito retificador tem por objetivo converter este sinal em um sinal de polaridade única, isto é, somente com polaridade positiva ou negativa.
Dois tipos de circuitos retificadores serão descritos nesse relatório: o retificador de meia onda e o retificador de onda completa.
2.2.1 Circuito retificador de meia onda
Na figura 4a, é ilustrado um ciclo completo (semiciclo positivo e semiciclo negativo) de uma forma de onda alternada. E a figura 4b, mostra um circuito básico de um retificador de meia onda, onde a tensão de entrada vi é a tensão alternada (AC). 
Figura 4 – Circuito retificador de meia-onda.
 (a) (b) 
No intervalo de tempo de (semiciclo positivo) – a polaridade da tensão aplicada vi, é tal que o diodo fica polarizado diretamente, funcionando como uma chave fechada. Nesse caso, a tensão de saída é uma réplica da tensão no semiciclo positivo de entrada. A figura 5a ilustra esse comportamento.
No intervalo de (semiciclo negativo) – a polaridade da tensão aplicada vi, é tal que o diodo é polarizado reversamente, funcionando como uma chave abera. Nesse caso, a tensão de saída é igual a zero. A figura 5b ilustra esse comportamento.
Figura 5 – Comportamento de um retificar de meia onda quando aplicado uma tensão ac na entrada; (a) semiciclo positivo; (b) semiciclo negativo.
 
 (a) (b)
O sinal AC varia entre o semiciclo positivo e o semiciclo negativo, vi é a saída do transformador, (secundário) essa vi é a tensão do secundário que fica positiva no semiciclo positivo e negativa no semiciclo negativo.
2.2.2 Circuito retificador de onda completa
Um circuito retificador de onda completa (ilustrado na figura 6b) o sinal senoidal de entrada (6a) pode ser utilizado em 100% do processo de retificação.
Figura 6 – Circuito retificador de onda completa
 (a) (b)
 
No intervalo de (semiciclo positivo a polaridade da tensão aplicada vi, é tal que o diodo D1 fica polarizado diretamente, funcionando como chave fechada, assim a tesão de saída é uma réplica da tensão no semiciclo positivo de entrada. E o diodo D2 fica polarizado reversamente, funcionando como chave aberta e não conduz nada. A figura 7a ilustra essa situação.
Figura 7a – Funcionamento de um retificador de onda completa no semiciclo positivo
No intervalo de (semiciclo negativo) – a polaridade da tensão aplicada vi, é tal que o diodo D1 fica polarizado reversamente, funcionando como chave aberta tendo como saída zero. Mas o diodo D2 fica polarizado diretamente, funcionando como chave fechada, assim como o diodo polarizado diretamente na saída aparece um semiciclo positivo. A figura 7b ilustra essa situação. 
Figura 7b - Funcionamento de um retificador de onda completa no semiciclo negativo.
Vemos que tanto o semiciclo positivo e o semiciclo negativo são aproveitados tendo um maior aproveitamento em relação ao circuito retificador de meia onda. 
2.2.3 Filtro a capacitor
A tensão necessária para a alimentação dos circuitos eletrônicos deve variar o mínimo possível, sendo o sinal na saídado retificador ainda inadequado para estes circuitos. Desta forma, é necessário um circuito que tome o sinal de um retificador e estabilize-o em um nível constante. O circuito mais simples que realiza esta função é o filtro a capacitor. O diagrama em bloco da figura 8 ilustra um filtro a capacitor colocado entre o retificador e a carga.
Figura 8 – Filtro com um único capacitor.
A figura 9a mostra um circuito retificador sem o filtro conectado e a forma de onda estabelecido na saída (dc pulsante), e a figura 9b apresenta o mesmo circuito retificador, mas agora com o capacitor conectado, funcionando como filtro, e a forma de onda estabelecida na saída, praticamente constante. A tensão de saída ainda apresenta uma pequena ondulação, conhecida como ripple.
Figura 9 – Formas de onda de um retificador 
 
 (a) (b)
O princípio de funcionamento é o seguinte:
Carga Inicial do capacitor: Para facilitar a compreensão do funcionamento, suponha que o capacitor esteja descarregado e a tensão da saída do circuito retificador inicia a partir de zero para o semiciclo positivo. Como o capacitor é um elemento armazenador de energia e a impedância de saída do retificador é muito baixa, à medida que a tensão aumenta na saída do transformador e, por conseguinte, devido a condução do diodo, aumenta a tensão na saída do retificador e o capacitor começa a se carregar, acompanhando o aumento da tensão de entrada. Quando este semiciclo atingir o valor de pico, o capacitor estará carregado com a tensão de pico em seus terminais também. Isso pode ser visualizado na figura 10, na trajetória de 0 a a.
Descarga do capacitor: à medida que a tensão diminui na saída do transformador, após ter atingido seu valor de pico, tende a diminuir a tensão na saída do retificador, mas devido a tensão máxima ter sido armazenada no capacitor (que é Vp), o diodo entra na região reversa (tensão no capacitor é maior que a tensão na saída do transformador), desconectando a saída do transformador do circuito de saída (capacitor + carga de saída). O capacitor nesse momento iniciará seu processo de descarga na carga de saída, mas de forma mais lenta (dado pela constante de tempo ). Como na saída do transformador há uma forma de onda alternada, existirá um momento em que ele se tornará novamente maior que a tensão no capacitor, visto que devido a descarga, tem tensão menor que a máxima de entrada. Este comportamento é ilustrado na figura 10, na trajetória de a a b.
Carga no capacitor: No momento em que a tensão do transformador ultrapassar a tensão do capacitor, o diodo D2 começa a conduzir. Nesse momento, um novo ciclo de carga no capacitor se inicia, e novamente o capacitor acompanha o semiciclo corrente da tensão de entrada, nesse pequeno intervalo, até atingir a tensão máxima novamente. Como a tensão do transformador volta a diminuir, um novo ciclo de descarga se inicia, até o próximo ciclo. Esse comportamento pode ser visto na figura 10, na trajetória de b a c.
Figura 10 – Forma de onda na saída de um retificador com filtro a capacitor e uma carga.
A tensão de ripple Vr(rms) de saída é dada pela seguinte expressão:
Onde 
3. DESCRIÇÃO DA EXPERIÊNCIA 01
Verificar o funcionamento do circuito retificador de meia onda.
3.1 Objetivo:
Medir a tensão de saída do secundário, a tensão no diodo, a tensão no resistor e a corrente no resistor com o multímetro e a forma de onda na carga com o osciloscópio.
3.2 Material Necessário:
2 Pontas de Prova de multímetro;
1 Protoboard;
1 Transformador;
1 Multímetro ET-2500;
1 Diodo 1N4007;
1 Resistor de 1.2kΩ;
1 Osciloscópio Digital MD-2050;
1 Ponta de prova de osciloscópio;
3.3 Procedimentos:
Com o multímetro na escala de tensão alternada iremos medir a tensão no primário e a tensão no secundário. Primeiramente medimos a tensão no primário com as pontas de prova vermelha e preta do multímetro nos pontos D e E respectivamente. Depois iremos medir a tensão no secundário. Para isso iremos fazer três medições: Vac, Vab e Vbc. Para medir Vab colocamos a ponta de prova vermelha e a preta do multímetro nos pontos A e B respectivamente. Para medir Vbc colocamos a ponta de prova vermelha e a preta do multímetro nos pontos B e C respectivamente. Para medir Vac colocamos a ponta de prova vermelha e a preta do multímetro nos pontos A e C respectivamente. A figura 11 indica os pontos de medição.
 Figura 11 – Pontos no Transformador
Depois montamos o circuito a seguir no protoboard conforme a figura 12:
Figura 12 – Circuito retificador de meia onda
Agora ligando os pontos do transformador na alimentação AC que no caso é 127V iremos analisar o sinal de saída sobre o diodo (D1) e sobre a carga (R1) utilizando o osciloscópio.
A figura 13 mostra a ponta de prova do osciloscópio. O ponto C indica a entrada BNC que é ligado no canal 1 do osciloscópio. O ponto B é a garra que é ligado ao terra do circuito. E o ponto A indica o polo positivo que iremos medir.
Figura 13 – Ponta de prova do osciloscópio
Com duas garras, alimentamos o circuito com a tensão vinda do transformador conforme ilustra a figura 14:
Figura 14 – Alimentação do circuito
Para medir a tensão sobre o diodo D1 colocamos a ponta de prova vermelha e preta do multímetro nos pontos A e F respectivamente.
Para medir a tensão sobre o resistor R1 vamos colocar a ponta de prova vermelha e preta do multímetro nos pontos F e G respectivamente.
Para medir a corrente no resistor R1 primeiramente trocamos as pontas de prova de entrada do multímetro que estava anteriormente para medir tensão e colocamos para medir corrente, logo em seguida trocamos a escala do multímetro para a escala de corrente e assim podemos fazer a medição. Primeiramente retiramos o terminal do resistor R1 sobre o ponto F e com a ponta de prova do multímetro vermelha colocamos no ponto F onde se localiza um terminal do diodo D1, e com a ponta de prova preta colocamos no terminal do resistor R1 que está fora do circuito, assim o amperímetro fica em série com o circuito, podendo fazer a medição correta.
Agora vamos medir o sinal no diodo D1 com o osciloscópio, para isso colocamos a garra preta da ponta de prova do osciloscópio no ponto G, e a ponta de prova do osciloscópio no ponto A, dessa forma é possível observar o sinal sobre o diodo D1.
Depois de medir o ponto anterior, agora vamos medir o sinal sobre a carga, para isso basta retirar a ponta de prova que estava no ponto A e coloca-la no ponto F do circuito, assim é possível observar a forma de onda sobre a carga.
 3.4 Resultados obtidos
Quando medimos Vac, encontramos o seguinte valor:
Quando medimos Vab, encontramos o seguinte valor:
Quando medimos Vbc, encontramos o seguinte valor: 
Quando medimos a tensão sobre o diodo D1, encontramos o seguinte valor:
Quando medimos a tensão sobre o resistor R1, encontramos o seguinte valor:
Quando medimos a corrente em R1 obtemos: 
Quando medimos a forma de onda com o osciloscópio no ponto G e A obtemos a seguinte forma de onda:
Figura 18 – Forma de onda sobre o diodo
Quando medimos a forma de onda com o osciloscópio no ponto F obtemos a seguinte forma de onda:
Figura 19 – Forma de onda sobre a carga
3.5 Análise dos resultados:
Quando medimos a tensão no secundário obtemos a seguinte relação:
Figura 20 – medições no secundário do transformador
Analisando os resultados vemos que .
Quando comparando os valores da tensão no diodo D1 e no resistor R1 vemos que se somarmos as tensões, será igual a tensão de alimentação no secundário.
E a forma de onda que foi medida sobre a carga conforme a figura 19 condiz com a teoria em que o diodo diretamente polarizado conduz para o semiciclo positivo.
4. DESCRIÇÃO DA EXPERIÊNCIA 02
4.1 Objetivo:
Montar o circuito retificador de onda completa, medir as tensões no secundário, testar o filtro a capacitor, e fazer acendero led com a corrente transformada de ac para dc.
4.2 Material Necessário:
2 Pontas de Prova;
1 Protoboard MP2420A;
1 Capacitor de 1000µF;
1 Resistor de 1.2kΩ;
1 Resistor de 1kΩ;
2 Diodos 1N4007
1 Multímetro ET-2500;
1 Transformador;
1 Osciloscópio Digital MD-2050;
1 Ponta de prova de osciloscópio;
1 Led 5mm;
 
4.3 Procedimentos: 
Montar o Circuito 1 retificador de onda completa conforme a figura 21:
Figura 21 – Circuito 1: retificador de onda completa
Medir com o osciloscópio a forma de onda sobre a carga R1. Para isso colocamos a garra da ponta de prova do osciloscópio no ponto E a a ponta de prova do osciloscópio no ponto D do circuito, assim obtemos a forma de onda sobre a carga.
Montar o Circuito 2 retificador de onda completa com filtro capacitivo conforme a figura 22:
Figura 22 – Circuito 2: retificador de onda completa com filtro capacitivo
Medir a tesão no capacitor C1 com o multímetro. Colocamos o multímetro na escala de corrente contínua e com as pontas de prova vermelha e preta colocamos nos pontos A e B respectivamente, assim teremos a tensão sobre o capacitor C1.
Medir a tensão sobre o resistor R2. Com a ponta de prova vermelha e preta colocamos nos pontos C e D respectivamente.
Medir a tensão sobre o diodo led. Com a ponta de prova vermelha e preta colocamos nos pontos D e B respectivamente.
Medir a tensão sobre a carga RL. Com a ponta de prova vermelha e preta colocamos nos pontos C e B respectivamente.
Medir com o osciloscópio o sinal sobre a carga RL. Para isso pegamos a garra preta da ponta de prova do osciloscópio e colocamos no ponto B, e a ponta de prova do osciloscópio no ponto C, assim temos o sinal sobre a carga RL. 
4.4 Resultados Obtidos:
Para o Circuito 1 da figura 21, quando medimos o sinal sobre a carga com o osciloscópio temos a imagem conforme mostra a figura 23.
Figura 23 – Forma de onda para o circuito retificador de onda completa
Para o Circuito 2 da figura 22, obtemos os seguintes valores como resultado:
O sinal medido sobre a carga do Circuito 2 da figura 22 é o mostrado na figura 24:
Figura 24 – Sinal sobre a carga em um circuito retificador de onda completa com filtro a capacitor.
4.5 Análise dos Resultados:
Para o circuito 1 da figura 21, analisando o sinal medido no osciloscópio, vemos que tanto o semiciclo positivo quanto o semiciclo negativo são aproveitados no circuito retificador de onda completa, pois o mesmo tem como característica o uso de mais de um diodo, o que faz com que quando o sinal estiver no semiciclo negativo, exista um diodo que nesse momento fique diretamente polarizado e que possa conduzir, deixando a tensão de saída o mais próximo de se tornar contínua
Para o circuito 2 da figura 22, se analisarmos os valores, vemos que a tensão sobre o capacitor é igual a tensão sobre a carga que é igual também a soma da tensão do resistor R2 com o diodo, isso porque eles estão em paralelo. Quando a tensão sai do secundário e passa pelos diodos, o sinal fica de meia onda pulsante, o capacitor faz com que essa tensão pulsante fique quase contínua, chamada também de tensão de ripple, a partir daí a tensão fornecida no circuito é quase contínua. Como o resistor R2 tem uma queda de tensão de 15.7V ele proporciona uma corrente de que é suficiente para o Led acender. O sinal da figura 24 é muito próximo de uma tensão contínua que o ripple fica praticamente extinto.
Se tivéssemos colocado um filtro a capacitor no circuito 1, teríamos uma tensão de ripple maior do que o ripple do circuito 2, sendo assim é muito mais vantajoso utilizar o circuito retificador de onda completa com filtro.
5. CONCLUSÃO
6. REFERÊNCIAS
Livros:
1. BOYLESTAD, Robert L. – Introdução à Análise de Circuitos – Prentice Hall/Pearson, 10ª. Ed, 2004
 2. MALVINO, A. P.. Eletrônica. Vol. 1 . . MAKRON Books: 1997
 3. BOGART, Jr. Theodore F. Dispositivos e circuitos eletronicos. São Paulo. Mkron Books, 2001. Vol. I e II.
 4. BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletronicos e Teoria de Circuitos. 6° Edição. Rio de Janeiro. Editora LTC, 1999.
 
Sites:
 1. http:// http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nte/NTE3025.pdf
 Consultado as 17:41 do dia 02/04/2013