4_circuitos_a_diodo_parte_1_2_3

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Circuitos com Diodo
Partes 1, 2 e 3
Leonardo B. Zoccal
(lbzoccal@unifei.edu.br)
ELT055 – Eletrônica Analógica I - *
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
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Análises com Circuitos Semicondutores
 As análises procuram evitar procedimentos matemáticos extensos. Utilizar os modelos para o diodo ou o método gráfico chamado de linha de carga. Estaremos sempre falando de Polarização Direta.
Respostas absolutamente exatas não são possíveis, pois observar que:
 Resistores possuem tolerância (valores típicos de 1%, 2% e 5%);
Fontes de tensão e de corrente sofrem o Efeito de Carga.
Apresentam resistências internas diferentes de infinito (fonte de corrente) e zero (fonte de tensão);
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Análises com Circuitos Semicondutores
Dispositivos semicondutores de um mesmo lote de produção também apresentam tolerâncias em relação aos seus parâmetros;
O envelhecimento dos componentes altera as suas características;
A influência da temperatura, umidade, etc.
Deste modo, é necessário utilizar um método de análise que leve a resultados satisfatoriamente precisos de acordo com aplicação do dispositivo em questão
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Retificador de Meia Onda
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Retificador de Meia Onda
Dividir a análise em duas partes: 
1) semi-ciclo positivo e 2) semi-ciclo negativo
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Retificador de Meia Onda
Semi-ciclo Positivo – Diodo Polarizado Diretamente
Observação:
Diodo de Sinal: VD = 0,7 V
Retificador : VD = 1 V
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Retificador de Meia Onda
Semi-ciclo Negativo – Diodo Polarizado Reversamente
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Retificador de Meia Onda
Tensão na fonte
Tensão sobre a carga
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Retificador de Meia Onda
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Tensão na fonte V1 e R1
Retificador de Meia Onda
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Tensão na fonte V1 e R1
Tensão no diodo D1
Retificador de Meia Onda
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Tensão no diodo D1
Retificador de Meia Onda
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Sinal na fonte V1 e R1
Retificador de Meia Onda
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Retificador de Meia Onda
Uma vez que o diodo conduz em apenas um semiciclo, o sinal sobre a carga é um sinal DC (ainda que pulsante).
Portanto, o processo de retificação consiste em transformar um sinal AC em um sinal DC (ainda que pulsante). 
Dependendo dos valores das tensões envolvidas e da resistência de carga deve-se avaliar qual o melhor modelo do diodo a ser utilizado.
Normalmente, o modelo simplificado é o mais indicado para a maioria dos circuitos práticos.
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Retificador de Meia Onda
A função do Transformador é fornecer um nível de tensão menor para o retificador (pico da rede AC é de  180V) e atuar como um isolador (o acoplamento entre secundário e primário é feito através de um circuito magnético)
Topologia clássica para retificadores de Meia Onda
Relação entre as tensões de um transformador 
Entrada: V1 e N1
Saída: V2 e N2
N1
N2
A título de exemplo considerar: Rede AC  127V (RMS), a relação de transformação = 127/7 e a carga RL = 20W
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Retificador de Meia Onda
Exemplos de transformadores
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Retificador de Meia Onda
Relações Importantes
Lei de Ohm!
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Tensão sobre a Carga – VL(ωt)
f = 60 Hz
Vrms = 7V
Retificador de Meia Onda
Rede AC  127V (RMS)
Relação de transformação = 127/7
Carga RL = 20W
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Retificador de Meia Onda
Tensão sobre o Diodo
f = 60 Hz
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Retificador de Meia Onda
Corrente na carga IL(ωt) = Corrente no Diodo
f = 60 Hz
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Retificador de Meia Onda
Algumas Observações Importantes:
Especificação dos Diodos:
Tensão Reversa Máxima
VRRM (PIV) > VSEC(pico) + segurança (15 a 20%)
Corrente Direta Média Máxima
IO > IL(AV) + segurança (15 a 20%)
Valores médios podem ser avaliados através do multímetro (amperímetro e/ou voltímetro) em suas escalas DC.
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Parte 2
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Retificador de Onda Completa
(Transformador com Derivação Central)
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Retificador de Onda Completa (Transformador com Derivação Central)
Topologia do Retificador de Onda Completa
Este tipo de retificador apresenta dois diodos somente, mas requer um transformador com derivação central (center tap – CT) para estabelecer o sinal de entrada em cada seção do secundário do transformador.
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Retificador de Onda Completa (Transformador com Derivação Central)
Durante a porção positiva de vi (primário do transformador), o diodo D1 assume o curto-circuito equivalente, e D2, o circuito aberto equivalente, conforme determinado pelas tensões no secundário e pelos sentidos das correntes resultantes
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Retificador de Onda Completa (Transformador com Derivação Central)
Durante a porção negativa de vi (primário do transformador), há a inversão das funções dos diodos (D1 assume o aberto equivalente, e D2, o curto-circuito equivalente), mas com a mesma polaridade da tensão através do resistor de carga R.
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Retificador de Onda Completa (Transformador com Derivação Central)
A tensão de pico reversa (PIV) dos diodos deste retificador é 2·Vm (soma das tensões do circuito ao lado). 
PIV = Vsecundário + VR
PIV = Vm + Vm
PIV >> 2·Vm
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Retificador de Onda Completa (Transformador com Derivação Central)
Algumas Observações Importantes:
Especificação dos Diodos:
Tensão Reversa Máxima
VRRM (PIV) > 2·VSEC(pico) + segurança (15 a 20%)
Corrente Direta Média Máxima
IO > IL(AV) + segurança (15 a 20%)
Valores médios podem ser avaliados através do multímetro (amperímetro e/ou voltímetro) em suas escalas DC.
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Retificador de Onda Completa
(Ponte)
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Novamente, a título de exemplo considerar: 
Rede AC  127V (RMS), a relação de transformação = 127/7 e 
carga RL = 20W
Topologia Clássica para Retificadores de Onda Completa
Outra opção de desenho do retificador em ponte
D1
D4
D3
D2
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Retificador em Ponte
Existem pontes retificadoras em que os quatro diodos estão embalados no mesmo invólucro. O sinal ~ indica os terminais da entrada senoidal e os sinais + e – indicam, respectivamente, a conexão em que estão os dois catodos e os dois anodos.
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Semiciclo Positivo do Sinal de Entrada (Diodos D1 e D3 Conduzindo)
 Os Anodos dos Diodos D1 e D3 “enxergam” potenciais mais positivos que seus respectivos Catodos, portanto, estão conduzindo;
Retificador de Onda Completa (Ponte)
 Os Anodos dos Diodos D2 e D4 “enxergam” potenciais mais negativos que seus respectivos Catodos, portanto, estão bloqueados;
 A tensão VL é a diferença entre Vi e a queda nos dois diodos (2·VD);
 Neste intervalo de tempo, a corrente ID1 é igual a ID3 e igual a IL;
 A tensão reversa sobre os diodos que estão bloqueados é Vi menos a queda em um diodo que esta conduzindo, ou seja, Vi – VD V.
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Observação:
Diodo de Sinal: VD = 0,7 V
Retificador : VD = 1 V
Diodos D1 e D3 Polarizados Diretamente
D�
i�
L�
P�
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2V�
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(�
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Semiciclo Negativo do Sinal de Entrada (Diodos D2 e D4 Conduzindo)
 Os Anodos dos Diodos D2 e D4 “enxergam” potenciais mais positivos que seus respectivos Catodos, portanto, estão conduzindo;
 Os Anodos dos Diodos D1 e D3 “enxergam” potenciais mais negativos que seus respectivos Catodos, portanto, estão bloqueados;
 A tensão VL é a diferença entre Vi e a queda nos dois diodos (2·VD);
 Neste intervalo de tempo, a corrente ID2 é igual a ID4 e igual a IL;
 A tensão reversa sobre os diodos que estão bloqueados é Vi menos a queda em um diodo que esta conduzindo, ou seja, Vi – VD V.
A corrente através da carga permanece com o mesmo sentido que no caso anterior do retificador de meia onda;
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Observação:
Diodo de Sinal: VD = 0,7 V
Retificador : VD = 1 V
Diodos D2 e D4 Polarizados Diretamente
D�
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Tensão sobre a carga – VL(t)
Diodos D2, D4  Lig.
Diodos D1, D3  Lig.
f = 120 Hz
Rede AC  127V (RMS)
Relação de transformação = 127/7
Carga RL = 20W
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Neste exemplo, o eixo x está com sua escala em tempo (milisegundos).
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
A corrente circula na carga no mesmo sentido tanto para o par D1, D3 conduzindo quanto para o par D2, D4 conduzindo.
Observar que o valor médio da tensão na carga é aproximadamente o dobro com relação ao retificador de meia onda.
No mesmo intervalo de tempo tem-se, praticamente, o dobro da área sob a curva.
A frequência do sinal sobre a carga também dobrou uma vez que o período caiu pela metade.
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D  Desl.
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Tensão sobre um dos Diodos da Ponte – VD(t)
Ao fechar a malha para a chave aberta que representa um dos diodos do par que está bloqueado, tem-se uma queda de 1 V que representa um dos diodos do outro par que está conduzindo.
f = 60 Hz
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Corrente na Carga – IL(t)
f = 120 Hz
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Corrente nos Diodos – ID(t)
A corrente média através dos diodos será metade da corrente média na carga. (No mesmo intervalo de tempo tem-se metade da área). 
D2, D4  Lig.
D1, D3  Lig.
f = 60 Hz
f = 60 Hz
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Retificador de Onda Completa (Ponte)
Especificação dos Diodos:
Tensão Reversa Máxima
VRRM (PIV) > (VSEC(PICO) – VD(Lig.)) + segurança (15 a 20%)
Corrente Direta Média Máxima
IO > (IL(AV)/2 ) + segurança (15 a 20%)
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Parte 3
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Filtro Capacitivo
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
A presença de um filtro capacitivo fará com que o sinal entregue à carga fique mais próximo do que se denomina de uma forma de onda DC pura. 
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 A simulação abaixo mostra que não é possível haver descontinuidades na forma de onda da tensão. A corrente, se necessário, irá responder de forma “descontínua” (impulso) para garantir esta condição.
Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Equações Fundamentais do Capacitor
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
 Durante o intervalo de tempo em que os Diodos conduzem, o capacitor está sendo carregado. Neste caso a fonte Vi deverá suprir a corrente para o capacitor (IC) e a corrente para a carga (IL)
 Durante o intervalo de tempo em que os Diodos estão bloqueados, o capacitor se descarrega através da carga. Neste caso o capacitor deverá fornecer a corrente para a carga e tem-se IL = IC
 Sobre a carga aparece, então, uma tensão mais próxima de uma tensão constante (DC) quanto maior for o valor do capacitor (maiores capacitores, maiores constantes de tempo, o que representa uma descarga mais lenta)
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Descarga do Capacitor
Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Carga do Capacitor
f = 120 Hz
Nível DC
Ondulação
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
 Observa-se que a área sob a curva aumentou em relação ao retificador sem filtro. Isso implica um aumento do valor da tensão média sobre a carga.
 A tensão sobre a carga possui duas componentes: uma tensão média (DC) e uma tensão de ondulação sobreposta ao nível médio (Tensão de Ripple – Vrpp).
 Quanto maior o valor do capacitor, mais o valor médio de tensão sobre a carga se aproxima do valor de pico e mais a tensão de ondulação se aproxima de zero. 
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Avaliação do valor médio de tensão sobre a carga
Observar que a carga e a descarga do capacitor foram aproximadas por uma linha reta e que o valor médio da tensão situa-se no centro da ondulação.
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Avaliação da tensão de ondulação
Como a carga do capacitor é, normalmente, mais rápida que a sua descarga, podemos aproximar o tempo de descarga para o período do sinal.
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Avaliação da tensão de ondulação
OBS:
Algo em torno de 10% para a tensão de ondulação é uma primeira aproximação.
Ao especificar o capacitor colocar +20% de folga na tensão de isolação.
ILD é a corrente média de descarga do capacitor em RL.
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Exemplo de caso real em laboratório (I)
Tensão de Ripple
Para um capacitor, por exemplo, de 3F...
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Circuito Retificador com Filtro Capacitivo
Exemplo de caso real em laboratório (II)
Tensão de Ripple
Agora utilizando, por exemplo, um capacitor de 30F.
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Filtro RC
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Filtro RC
A ondulação na saída do filtro capacitivo pode ser diminuida ainda mais utilizando uma seção RC adicional. Essa seção permite que quase todo o componente cc passe e que o componente ca atenue consideravelmente
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Filtro RC
A operação do filtro pode ser analisada utilizando-se sobreposição para os componentes cc e ca do sinal
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Exemplo de uma Fonte de Alimentação Linear
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Exemplo de uma Fonte de Alimentação Linear
Transformador – Reduz o nivel de tensão AC da rede e fornece isolação;
Retificação – Transforma potência AC em potência DC;
Filtro – Aproxima a tensão para uma DC pura, porém com ripple;
Regulação – Minimiza o ripple e a dependência da tensão de saída em relação a carga e a rede.
Aplicação típica dos circuitos retificadores: Fontes de Alimentação para fornecimento de tensões DC estáveis.
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Exemplo de uma Fonte de Alimentação Linear
CI Regulador de Tensão terá o seu príncípio de operação estudado posteriormente
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Exemplos de Capacitores Eletrolíticos
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Corrente de Surto
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Corrente de surto
Ao ligar o retificador com filtro, estando o capacitor descarregado, existirá a circulação de uma corrente transitória (corrente impulsiva) de alto valor para tentar carregá-lo.
Os diodos que compõem o retificador deverão estar aptos a suportar esta dissipação transitória de potência.
Os fabricantes referem-se a esta corrente como Corrente de Surto (IFSM) e indicam qual a capacidade máxima de manipulação por parte do dispositivo semicondutor. Em alguns casos, é necessário mais de um ciclo para que o capacitor consiga obter a sua carga plena.
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Corrente de surto
Para um retificador em ponte pode-se avaliar IFSM considerando-se a equação básica do capacitor e que a tensão sobre ele (e a carga) é a própria tensão vsec a menos de duas quedas de 1V.
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Corrente de surto
Para um retificador em ponte pode-se avaliar IFSM considerando-se a equação básica do capacitor e que a tensão sobre ele (e a carga) é a própria tensão vsec a menos de duas quedas de 1V.
Atenção: a freqüência sempre será 60Hz nesta fórmula
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Corrente de surto
Corrente no Capacitor de Filtro
Ângulo de condução do diodo
Corrente no Capacitor evidenciando IFSM e ângulo de Condução dos Diodos
Comparativo com a corrente nos diodos em um retificador (onda completa) sem filtro
A corrente de surto, neste caso, teve a duração compreendida dentro de 1 ciclo.
O valor médio da corrente no capacitor é zero, uma vez que ele recebe energia quando os diodos conduzem e a devolve para a carga quando os diodos bloqueiam. 
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Corrente de surto
Corrente nos Diodos da Ponte com Filtro
O ângulo de condução dos diodos diminui o que faz com que o valor de pico da corrente aumente para se obter um maior valor médio.
A carga inicial do capacitor requer uma corrente de surto (IFSM) A indutância e a resistência do secundário do transformador, assim como a resistência dos diodos tendem a minimizar este efeito
Corrente nos diodos sem o filtro capacitivo
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Corrente de surto
Corrente nos Diodos da Ponte com Filtro
Circuito com um capacitor de C pequeno
Circuito
com um capacitor de C grande
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Corrente de surto
Observar que para este diodo a corrente de surto foi definida para um ciclo. Um valor prático de avaliação rápida é considerar a corrente de surto como sendo de 30 a 50 vezes maior que a corrente média IO.
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Resumo dos Retificadores
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Resumo dos Retificadores
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Adendo 1: Alguns tipos de Capacitores e suas Aplicações
Polarizados 
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Adendo 2: Leitura de Capacitores (alguns exemplos)
  
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Adendo 3: Capacitores Eletrolíticos (Valores Padrão)
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