EXPERIÊNCIA RETIFICAÇÃO E FILTRAGEM CAPACITIVA

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ENGENHARIA MECÂNICA
EXPERIÊNCIA: RETIFICAÇÃO E FILTRAGEM CAPACITIVA
- Retificação de meia-onda, onda completa e filtragem capacitiva;
- Simulação no Proteus;
São Paulo
1. Introdução
	O retificador é um circuito com diodos que converte a tensão alternada em tensão em contínua. Embora contínua, a tensão produzida pelo retificador de meia onda ou onda completa ainda tem um nível elevado de ondulação (Ripple), que pode ser minimizado pela ação de um filtro capacitivo colocado em paralelo com a carga, estabilizando a tensão.
	Os circuitos que utilizam dispositivos semicondutores necessitam ser alimentados com tensões contínuas para a devida polarização. Para poder aproveitar a rede elétrica, por se tratar de tensão alternada, necessitamos convertê-la em tensão contínua. Para tanto, utilizamos os circuitos retificadores que juntamente com os filtros possibilitam obter nas saídas tensões com característica de contínua pura.
	
	1.1. Objetivo
	O experimento feito tem como objetivo analisar, efetuar medições e fazer simulação de Retificador de Meia-Onda e de Retificador de Onda Completa com filtragem capacitiva Primeiro será apresentada a teoria por trás dos retificadores juntamente com a especificação e a simulação dos circuitos das atividades do experimento através da montagem nas bancadas e também no Proteus. Em seguida serão analisado os resultados obtidos na prática e comparados com a teoria e simulação. Por fim, as conclusões obtidas com o experimento.
	
	2. Fundamentos teóricos 
	2.1. Retificador de meia-onda
	Os circuitos que utilizam dispositivos semicondutores necessitam ser alimentados com tensões contínuas para a devida polarização. Para poder aproveitar a rede elétrica, por se tratar de tensão alternada, necessitamos convertê-la em tensão contínua. Para tanto, utilizamos os circuitos retificadores que juntamente com os filtros possibilitam obter nas saídas tensões com característica de contínua pura. Na figura 1, temos esquematizado em blocos um circuito retificador com filtro.
	Pela figura, notamos que o primeiro estágio é constituído por um transformador para normalmente reduzir a tensão de entrada. No segundo estágio, por meio de circuitos com diodos, é feita a retificação do sinal alternado. No terceiro estágio o circuito de filtro, normalmente capacitivo, transforma a tensão contínua pura.
	Da maneira geral, os circuitos retificadores classificam-se em dois tipos, sendo os denominados de meia onda e os de onda completa. O circuito retificador de meia onda sem filtro é visto na figura 2.
	
Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, o diodo estará diretamente polarizado e conduzirá, fazendo a corrente circular pela carga (R,). Na saída aparecerá, neste caso, o próprio semiciclo. 
	No semiciclo negativo da tensão de entrada, o diodo estará reversamente polarizado, não conduzindo, fazendo com que a tensão de saída seja nula. No diodo, temos a tensão (VD), que durante a sua condução é praticamente nula e na sua não condução é igual a da entrada, ou seja, negativa.
	
Após este estudo, podemos esboçar as formas de onda do circuito retificador de meia onda, que são vistas na figura 3. 
	A tensão contínua de saída terá um valor DC igual a:
	Para poder aumentar o nível de tensão continua na saída, colocamos um filtro capam como mostra a figura 4.
	A atuação do capacitor consiste em se carregar com a tensão de entrada durante o intervalo do semiciclo positivo, até atingir Vmáx. A partir daí, como o potencial do capacitor é maior que o da entrada, o diodo corta e o capacitor inicia um processo de descarga por meio da carga RL até que um novo semiciclo positivo faça com que a tensão no anodo do diodo seja maior, reiniciando o processo de carga. A figura 5 mostra a tensão de saída do retificador de meia onda com a atuação do filtro.
	Por meio da figura notamos que o filtro faz com que se eleve o nível DC da tensão de saída, que, dependendo do valor do capacitor e da carga RL, pode ser maior ou menor. A ondulação remanescente é denominada tensão de Ripple, cujo valor pode avaliar a eficácia do circuito, na conversão da tensão alternada em contínua, para uma carga específica.
 2.2. Retificador de onda completa	
	A retificação de onda completa pode ser obtida por meio de dois circuitos sendo o que utiliza um transformador com derivação central e dois diodos, e o que utiliza um transformador sem derivação e quatro diodos ligados em ponte. O retificador de onda completa com dois diodos, sem filtro, é visto na figura 6.
	
O transformador utilizado nesse circuito possui uma derivação central que defasa a tensão VB1 em relação a Ve2 de 180". Durante o semiciclo positivo de Ve1 e o semiciclo negativo de Ve2, o diodo D1 estará conduzido e o diodo D2 estará cortado. Por D1 circulará uma corrente que, passando por RL faz aparecer na saída o próprio semiciclo positivo de Ve1. 
	Durante o semiciclo positivo de Ve2 e negativo de Ve1 o diodo D2 estará conduzindo e o diodo D1 estará cortado. Por D2 circulará uma corrente que, passando por RL faz com que apareça na saída o próprio semiciclo positivo de Ve2.
	Após este estudo, podemos esboçar as formas de onda do circuito retificador de onda completa com dois diodos, sem filtro, que são vistas na figura 7. 
	Os diodos D1 e D2 na condução apresentam uma tensão praticamente nula entre seus terminais e na não condução, uma tensão de -2 Vmáx, pois quando um deles estiver cortado, o outro estará 
conduzindo, fazendo com que a tensão total do secundário do transformador seja aplicada sobre o cortado.
	
O retificador de onda completa com diodos em ponte, sem filtro, é visto na figura 8.
	Nessa ligação, utilizando diodos em ponte, durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, os diodos D1 e D3 estarão conduzindo, fazendo circular uma corrente que, passando por RL faz com que apareça na saída o próprio semiciclo. No semiciclo negativo, os diodos D2 e D4 estarão conduzindo, fazendo circular uma corrente, por meio de RL com o mesmo sentido que no outro caso, surgindo na saída uma tensão igualmente positiva. 
	Após este estudo, podemos esboçar as formas de onda do circuito retificador de onda completa com diodos em ponte, sem filtro, que são vistas na figura 40.9.
	Os diodos, na sua condução, apresentam uma tensão praticamente nula entre seus terminais e na não condução, uma tensão –Vmáx, pois quando estiverem cortados, estarão em paralelo com o secundário do transformador.
	Nos retificadores de onda completa, como em todos os semiciclos da tensão de entrada, temos uma tensão de saida. O nível DC será o dobro em relação ao de meia onda e dado por:
	Para aumentar esse nivel, que dependendo das circunstâncias poderá tornar-se próximo a Vmáx, colocaremos um filtro capacitivo, como mostra a figura 10.
	O capacitor de filtro se carrega com a tensão de entrada até atingir Vmáx. A partir daí, como seu potencial é maior que o da entrada, iniciará um processo de descarga, por meio de RL, até quem um novo semiciclo reinicie um processo de carga. A figura 11 mostra a tensão de saída dos retificadores de onda completa com a atuação do filtro.
	Observando a figura, notamos que teremos um aumento do nível DC e diminuição de tensão de ripple em relação ao retificador de meia onda, com filtro, isso logicamente, dependendo dos valores do capacitor e da carga RL.
	2.3. Filtragem capacitiva
	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 docapacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte. 
	Sempre depois da filtragem aparece uma tensão de ripple que é o componente de corrente alternada que se sobrepõe ao valor médio da tensão de uma fonte de corrente contínua. Quanto maior a capacitância do capacitor usado na filtragem menor será essa tensão que aparece. 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.
	
	2.4. Proteus
	O Proteus é um software para simulação de microprocessadores, captura esquemática, e placa de circuito impresso. 
	O Proteus Design Suite combina captura esquemática, simulação SPICE de circuitos, e desenho para fazer um projeto completo de sistema de eletrônica. Acrescente a isso a capacidade de simular micro-controladores populares e de executar o seu firmware atual, e você tem um pacote que pode reduzir drasticamente o tempo de desenvolvimento, quando comparado com um processo de desenho tradicional com auxílio de um pacote integrado com interface de usuário comum e a ajuda totalmente sensível ao contexto para fazer um processo de aprendizado rápido e fácil.
	
3. Material Experimental 
	3.1. Retificação de meia-onda, onda completa e filtragem capacitiva
	Multímetro digital, osciloscópio, cabos e kit com trafo center tap, dois diodos retificadores, 2 capacitores (100μF e 10μF), 2 resistores (100R e 1k5) para montagem de retificação de meia onda e onda completa. 
	1) Monte o circuito da figura abaixo, um retificador de meia onda.
	2) Com a chave S aberta (sem filtro), ligue o osciloscópio à saída, medindo o Vpico e o VDC. Anote os valores e as formas de onda no quadro abaixo. Com o multímetro meça e anote no quadro a tensão DC de saída.
	3) Com a chave S fechada (com filtro), repita o item 2, medindo neste caso a tensão de ripple, Vrpp. Anote os resultados no quadro acima. 
	4) Monte o circuito da figura abaixo, um retificador de onda completa.
	5) Com a chave S aberta (sem filtro), ligue o osciloscópio à saída, medindo o Vpico e o VDC. Anote os valores e as formas de onda no quadro abaixo. Com o multímetro meça e anote no quadro a tensão DC de saída.
	6) Com a chave S fechada (com filtro), repita o item 6, medindo neste caso a tensão de ripple, Vrpp. Anote os resultados no quadro acima.
	3.2. Simulação no Proteus
	1) Retificador de meia-onda
A) 	- CH1 fechada e CH2 aberta
	- S2 fechadas e demais abertas
	- Medir Vp e copiar a forma da onda do canal B
	- Medir e copiar a forma da onda de A-B ( A+ (-B) ) – forma de onda no diodo
	- Medir o nível DC no osciloscópio ( verificar se Vdc osc = Vp / π )
B) 	- S2 e S4 fechadas ( demais condições mantidas )
	- Copiar a imagem do canal B ( Vr ) com a chave em DC ( Medir o nível DC no osciloscópio e no voltímetro – verificar se são iguais )
	- Copiar a imagem do canal B ( Vr ) com a chave em AC e apertar a escala para medir Vpp ripple
	2) Retificador de onda completa
	- CH1 e CH2 fechadas
	- Repetir os procedimentos de A) e B) do item 1)
	4. Resultados
	4.1. Retificação de meia-onda, onda completa e filtragem capacitiva
	Resistor: 1K5 Ώ – V pico: 19V (Sem Filtro)
 VDCosc:5.84 V
 VDCmult:5.8V
	Resistor: 100 Ώ – Vpico: 19V(Sem filtro)
 VDCosc:5.76V
 VDCmult: 5.69V
	Resistor: 1K5 Ώ + 100µF(Com Filtro)
Vrpp: 4.4 V
VDCosc: 16.6 V
VDCmult: 16.48 V
	Resistor: 1k5Ώ + 10µF(Com filtro)
Vrpp: 15.8 V
VDCosc: 9.73 V
VDCmult: 9.65 V
	Resistor: 100Ώ + 100µF(Com Filtro) Vrpp: 14.6 V
VDCosc:10.3 V
VDCmult:10.21 V
	Resistor: 100 Ώ + 10µF(Com Filtro) Vrpp: 18.6V(Sem filtro)
VDCosc: 5.87 V
VDCmult: 5.92 V
	
Resistor: 1K5Ώ+ Diodo (Sem filtro)
Vpico: 19.2 V
VDCosc: 11.8 V
VDCmult: 11.64 V
	
Resistor: 100Ώ + Diodo (Sem filtro)
Vpico: 19 V
VDCosc: 11.6 V
VDCmult: 11.46 V
	
Resistor: 1K5 Ώ + 100µF + Diodo (Com Filtro)
Vrpp: 2.4 V
VDCosc: 16.6 V
VDCmult: 16.48 V
	
Resistor: 1k5Ώ + 10µF + Diodo (Com filtro)
Vrpp: 10.8 V
VDCosc: 14.2 V
VDCmult: 14 V
	
Resistor: 100Ώ + 100µF + Diodo (Com Filtro) 
 Vrpp: 9.2 V
VDCosc:14.4V
VDCmult:14.3 V
	
Resistor: 100Ώ + 10µF + Diodo (Com Filtro) 
Vrpp: 17.4V
VDCosc: 11.8 V
VDCmult: 11.7 V
	4.2. Retificação de meia-onda, onda completa e filtragem capacitiva
	1) Retificação de Meia Onda
A)	Tensão de pico: 19.00 V
	Tensão DC no osciloscópio: Vdc= 6V (6 VDC TEÓRICO)
FORMA DE ONDA DA TENSÃO NO RESISTOR DE – 1K5 OHMS
FORMA DE ONDA DO DIODO
B) 	INCLUINDO CAPACITOR DE 100 µF
	TENSÃO DO RESISTOR COM CAPACITOR 100 µF em Paralelo
	VDC: 17,6 V (Multímetro)
	VDC: 18,20 V (Osciloscópio)
	V ripple PP: 1,85 V 
	
2) Retificação de Onda Completa
A)	Tensão de pico: 19.00 V
	Tensão DC no osciloscópio: Vdc= 12V (12,24 VDC TEÓRICO)
FORMA DE ONDA DA TENSÃO NO RESISTOR DE – 1K5 OHMS
FORMA DE ONDA DO DIODO
B) 	Incluir Capacitor 100 µF
	TENSÃO DO RESISTOR COM CAPACITOR 100 uF em Paralelo
	VDC: 18,8 V (Multímetro)
	VDC: 18,9 V (Osciloscópio)
	
V ripple PP: 0,9 V 
	5. Questões: 
	1) Calcule VDC de saída para cada circuito montado para os circuitos sem filtro. Compare esses valores com os medidos na experiência. 
	
	2) Compare os valores VDC medidos com circuitos sem filtro e com filtro. 
	
	3) Descreva o funcionamento do circuito da figura a seguir 
	4) Dimensione um retificador de onda completa para alimentar uma carga com tensão de 9VDC e corrente máxima de 2A. 
	5) Supondo que os diodos da figura abaixo são de silício com condução em 0,65V, determine a leitura do voltímetro para as posições das chaves A e B conforme a tabela a seguir. 
	6) Qual é a influência do aumento da resistência da carga na tensão de saída do circuito retificador com e sem capacitor. Faça considerações sobre a tensão Vdc e Vripple ( Vrpp ), quando se coloca o capacitor, e explique as diferenças.
	Resposta: Tendo se um capacitor, contendo uma capacitância de valor X, ocorre uma elevação do valor médio da tensão de saída, em relação a uma carga resistiva. O capacitor é carregado com uma tensão de pico na entrada e quando essa tensão diminui, tornando-se menor do que a tensão no capacitor, os diodos ficam bloqueados e a sua corrente de saída começa a ser fornecida exclusivamente pelo próprio capacitor, no qual será carregado até que ocorra novamente o aumento da tensão de entrada, recarregando assim o capacitor. A forma de onda da corrente de entrada se difere muito de uma onda senoidal, ela apresenta alguns “pulsos” nos momentos em que o capacitor se carrega. 
	7) Qual é a influência do aumento da capacitância em relação a tensão de saída do circuito retificador. Faça análise para a resistência de 1K5 e para as mesmas considerações da questão 6.
	Resposta: Quando colocamos um capacitor com uma carga F, o valor de tensão se mantém constante, sendo apresentada somente uma leve variação denominada ripple e em torno de um valor constante. Este fenômeno ocorre em virtude da carga e descarga decorrente no capacitor.
6. Comentários e Conclusões 
Com a prática sobre os circuitos retificadores de meia onda e onda completa, seja em ponte ou com transformador com derivação central com filtragem capacitiva ou não foi possível compreender a importância as possíveis aplicações e o princípio de funcionamento dos diodos. 
Foi possível compreender a natureza da tensão conduzida nos diodos que é continua e pulsante. Concebendo que este valoré variável no decorrer do tempo não possuindo a característica de ser constante apesar de ser continuo. Nas práticas realizadas, utilizou-se o capacitor para aumentar a constância da forma de onda, efetuando o procedimento da filtragem capacitiva com sucesso. 
Apresentou-se o princípio de funcionamento dos diodos tanto diretamente quanto reversamente polarizados: abordando os métodos de medição das tensões em ambas as disposições. Além de apresentar os resultados da prática verificando que os gráficos gerados são coerentes com os conteúdos estudados e com a abordagem teórica proposta.
Conclui-se que ocorre uma variação de resultados da tensão, em virtude dos diferentes instrumentos de medições utilizados neste experimento (multímetro, osciloscópio e PROTEUS), ocorrendo uma variação de até 0,4 V, de incerteza. Conclui-se também que, muito embora tenhamos efetuado uma simulação do circuito pelo sistema PROTEUS, é preferível que se faça também um experimento prático para que possamos assim, obter uma confirmação melhor sobre os valores que estão sendo mensurados.
7. Bibliografia
- B oylestad, Robert L. & Nashelsky, Louis. “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”. Prentice Hall. Brasil. 2004.
- SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4. edição. São Paulo, Makron Books Ltda., 2000. p. 172 a 184.
- Notas de aula do Professor Marcos Hunold e apostilas.