Retificadores

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Conceito de Retificadores não controlados
Um retificador corresponde ao circuito elétrico elaborado para a converter a
corrente alternada fornecida pela concessionária de energia para corrente continua, afim
de utilizar a corrente continua para circuitos de comando, proteção e controle. Em um
circuito retificador utiliza-se, basicamente, elementos semicondutores, tais como os diodos,
tiristores e transformadores. Em outras palavras, trata-se de um dispositivo que permite
converter uma tensão, ou corrente alternada (CA) (onda senoidal) para corrente continua
CC (constante).
Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o
valor da tensão de saída (controlados x não controlados); de acordo com o número de
fases da tensão alternada de entrada (monofásico, trifásico, hexafásico, etc.); em função
do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa).
Os retificadores não-controlados, são aqueles que utilizam diodos como elementos
de retificação e por isso não é possível ajustar a tensão de saída.
Os diodos de potência diferem dos diodos de sinal por terem uma capacidade
superior em termos de nível de tensão de bloqueio (podendo atingir até alguns kV, num
único dispositivo), e poderem conduzir correntes de até alguns kA.
Nas aplicações em que a tensão alternada é a da rede, tais diodos não precisam
ter seu processo de desligamento muito rápido, uma vez que a frequência da rede é baixa
(50 ou 60 Hz).
Usualmente topologias em meia ponte não são aplicadas. A principal razão é que,
nesta conexão, a corrente média da entrada apresenta um nível médio diferente de zero.
Tal nível contínuo pode levar elementos magnéticos presentes no sistema (indutores e
transformadores) à saturação, o que é prejudicial ao sistema.
Topologias em ponte completa absorvem uma corrente média nula da rede, não
afetando, assim, tais elementos magnéticos
Retificadores Não Controlados de Meia-Onda
O diodo tem a característica de conduzir corrente somente num sentido e devido a
esta característica unidirecional, o mesmo é utilizado para retificar.
O diodo ideal com polarização direta comporta como uma chave fechada e com
polarização reversa comporta como uma chave aberta.
O diodo tem resistência direta muito baixa e resistência reversa muito alta.
Para o ponto A positivo em relação a B, o diodo está polarizado diretamente e
conduz.
A corrente circula de A até B passando pelo diodo e RL (carga).
Para o ponto A negativo em relação a B, o diodo está polarizado inversamente e
não conduz. Tem-se corrente em RL somente nos semiciclos positivos de entrada.
Os semiciclos positivos passam para a saída e os semiciclos negativos ficam no
diodo.
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A frequência de ondulação na saída é igual à frequência de entrada.
O retificador de meia onda tem baixa eficiência.
Formas de onda considerando um diodo ideal
Pode-se ter também um retificador de meia onda negativa, bastando virar a posição
do diodo. Nesse caso o diodo somente conduz nos semiciclos negativos. Conforme
circuito abaixo.
Retificador de onda completa utilizando transformador com derivação
central
O retificador de meia onda é a forma mais simples de convertemos uma tensão
alternada em tensão contínua. Mas com o acréscimo de poucos componentes podemos
transformá-lo em um retificador de onda completa, que aproveita ambos semiciclos do sinal
de entrada. Temos dois circuitos possíveis para o retificador de onda completa. O primeiro
deles necessita que o transformador de alimentação tenha uma derivação central,
conforme podemos ver na figura a seguir
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Este circuito é também denominado de retificador de onda completa convencional.
Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída do transformador, VA e VB.
As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C (0V).
Quando A é positivo, B é negativo, a corrente sai de A passa por D1 e RL e chega
ao ponto C.
Quando A é negativo, B é positivo, a corrente sai de B passa por D2 e RL e chega
ao ponto C.
Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em
RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na
saída.
A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada.
Neste circuito o problema da queda de tensão no diodo fica minimizado. Existe
também uma economia de componentes, já que apenas dois diodos fazem todo o serviço.
Este é de longe o circuito mais comum em aparelhos valvulados e é muito popular nos
transistorizados. Uma desvantagem deste circuito em relação aos anteriores é a exigência
de um transformador com tomada central. Estes transformadores costumam ser um pouco
mais caros que os de enrolamento simples.
Também pode ser projetado para obter somente semiciclos negativos na saída.
	
Retificador de onda completa em ponte
O retificador em ponte dispensa o uso do transformador com tomada central.
Com isto, pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede
elétrica.
Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D1, RL, D3 e
chega ao ponto B.
Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D2, RL, D4 e
chega ao ponto A..
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Conduzem somente dois diodos de cada vez.
Quando o ponto A é positivo D1 e D3 conduzem.
Quando o ponto A é negativo D2 e D4 conduzem.
Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em
RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na
saída.
A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada.
A desvantagem da ponte aparece na queda de tensão no retificador. Cada vez que
a corrente atravessa um diodo, ocorre uma queda de tensão. Nos retificadores de silício
esta queda é de aproximadamente 0,7V. Para o caso da ponte, cada semiciclo irá
atravessar dois diodos, dando uma queda de 1,4V. Na maior parte das aplicações essa
queda não é um problema, sendo preocupante apenas quando se trata de tensões abaixo
de 10V.
Filtros para fontes de alimentação
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 do capacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e
quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte.
Filtro a capacitor para retificador de meia onda
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No semiciclo positivo o diodo conduz e carrega o capacitor com o valor de pico (VP)
da tensão. Assim que a tensão de entrada cair a Zero, o diodo pára de conduzir e o
capacitor mantém-se carregado e descarrega lentamente em RL. Quando a tensão de
entrada fica negativa (semiciclo negativo) o diodo não conduz e o capacitor continua
descarregando lentamente em RL. O capacitor recarrega 60 vezes por segundo.
O capacitor carrega de Vmin até VP e neste intervalo de tempo (t) o diodo conduz.
O capacitor descarregará de VP até Vmin e neste intervalo o diodo não conduzirá.
A Forma de onda na saída está mostrada abaixo.
O voltímetro de tensão contínua indica o valor médio da tensão medida.
Aumentando o capacitor, a tensão de ondulação (Vond) diminui e VCC aumenta.
Aumentando a corrente IL, a tensão de ondulação (Vond) aumenta e VCC diminui.
Se Vond tende a zero, a tensão de saída tende ao valor de pico.
VCC = VP para Vond = 0V).
Desligando RL, IL será 0A, o capacitor não descarrega e tem-se Vond = 0V.
Para se ter Vond com um valor baixo ao aumentar IL deve-se aumentar o valor do
capacitor.O retificador de meia onda, com filtro a capacitor, é inadequado para alimentar
circuitos que exigem um valor alto de corrente, pois além de se utilizar um valor muito alto
para o capacitor, o diodo fica sobrecarregado ao conduzir toda a corrente do circuito
alimentado.
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Filtro a capacitor para retificador de onda completa
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.
Comparação entre as formas de onda na saída para uma filtragem em meia
onda e em onda completa.
Retificadores não-controlados trifásico de meia-onda
Quando a potência da carga alimentada se eleva, via de regra são utilizados retificadores
trifásicos, a fim de, distribuindo a corrente entra as 3 fases, evitar desequilíbrios que poderiam
ocorrer caso a corrente fosse consumida de apenas 1 ou 2 fases. Neste caso a corrente é
fornecida, a cada intervalo de 60 graus, por apenas 2 das 3 fases. Poderão conduzir aquelas
fases que tiverem, em módulo, as 2 maiores tensões. Ou seja, a fase que for mais positiva,
poderá levar o diodo a ela conectado, na semi-ponte superior, à condução. Na semi-ponte
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inferior poderá conduzir o diodo conectado a fase com tensão mais negativa
Um circuito intermediário não-controlado trifásico e meio-onda requer três diodos, um
conectado a cada fase. Este é o tipo mais simples de retificador trifásico, mas sofre de distorção
harmônica relativamente alta nas conexões AC e DC. Este tipo de retificador é dito ter um
número de pulsos de três, uma vez que a tensão de saída no lado DC contém três pulsos
distintos por ciclo da frequência da rede. Abaixo os semiciclos conduzidos por cada fase.
 Retificadores não-controlados trifásico de onda completa
Para um retificador de ponte trifásico não-controlado de onda completa, são
utilizados seis diodos, e o circuito novamente possui um número de 6 pulsos. Por esse
motivo, também é comumente referido como uma ponte de 6 pulsos. O circuito pode ser
visto simplificado como uma conexão em série de dois circuitos centrais de três pulsos.
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O retificador trifásico de onda completa é um dos circuitos mais importantes em
aplicações em circuitos de alta potência. Esse retificador é mais eficiente do que o
retificador trifásico de meia onda, pois, fornece seis pulsos e o de meia onda fornece
apenas três, fornecendo assim uma saída que tem menos ondulação. Como a frequência
de saída é mais alta, a filtragem é simplificada, já que os componentes do filtro são caros.
Para entendermos o funcionamento desse circuito, vejamos inicialmente como
determinar os diodos que conduzem. Consideremos inicialmente que a fase A possui a
maior tensão em relação ao neutro. É razoável supor que neste caso D1 esteja em
condução. Se isto ocorrer, teremos em X, relativamente ao neutro do secundário do
transformador, a tensão da fase A. As tensões aplicadas aos anodos dos diodos D3 e D5
são respectivamente as das fases B e C. Como estas tensões são menores, por hipótese,
que a tensão dos catodos, D3 e D5 estão reversamente polarizados.
 Para determinarmos qual entre os diodos D2, D4 ou D6 conduzirá, faremos a
hipótese de que VCN>VBN, ou em outras palavras, a fase B é a menos positiva, ou a mais
negativa das fases do sistema trifásico. É razoável supor que D6 esteja conduzindo e se
isto se verificar, teremos no ponto Y, relativamente ao neutro do transformador, a tensão da
fase B. Teremos então D4 e D6 cortados uma vez que as tensões dos catodos dos mesmos
(VAN e VCN respectivamente) são maiores que as tensões dos catodos (VBN, a menos
positiva das três tensões de fase).
Chega-se à conclusão que conduzirão os diodos ligados a fase mais positiva, e os
diodos ligados as fases menos positivas. Ora isso é o mesmo que dizer que os diodos que
conduzirão serão determinados pela tensão da linha mais positiva. A análise será feita
então com base nas tensões de linha e não nas tensões de fase.
஻ܸ௒ é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
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ோܸ௒ é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
ோܸ஻ é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
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௒ܸ஻ é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
௒ܸோ é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
஻ܸோ é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Apresentando a seguinte onda retificada:
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Retificador trifásico de onda completa 12 pulsos
Em sistemas retificadores de elevadas potências, onde se utilizam estruturas
trifásicas clássicas para se promover a redução da distorção harmônica da corrente de
entrada e, consequentemente, obter-se elevado fator de potência, os retificadores de 12
pulsos e seus múltiplos têm se apresentado como sendo ótimas opções técnicas, visto que
os mesmos garantem um bom desempenho do conjunto retificador, assim como robustez.
Um conversor 12 pulsos pode ser obtido a partir da ponte retificadora trifásica clássica
como mostrado abaixo com associação em série das pontes retificadoras. É obtido um
defasamento de 30° entre as tensões das pontes por efeito de transformador com primário
em ∆ (delta) e secundários em ∆ e Y (estrela).
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Assim é possível gerar uma tensão de saída característica mais próxima da tensão
CC. Essa configuração apresenta uma razão de retificação de 99,88%.
Tabela comparativa entre os tipos de retificadores
Onde Vdc é a tensão média, VL é a tensão eficaz, FF é o fator de forma e RF é o
fator de ondulação (ripple). Os retificadores trifásicos apresentam melhor desempenho em
termos da estabilidade da tensão e da potência transmitida para a carga.
Esses são os modelos básicos de retificadores não controlados, podem ser
encontrados modelos trifásicos com maior número de pulsos, como de 18 e 24 pulsos.
Quanto maior o número de pulsos, menor será o efeito de harmônicas na tensão e corrente
de saída. Também pode ser utilizado a associação de retificadores para minimizar esses
efeitos.
Para se obter um melhor rendimento dos retificadores é utilizado tiristores no lugar
dos diodos, passando o retificador para classe de controlado. Bem como inserir filtros
ativos e passivos para correção de harmônicas. Logicamente que o custo também sobe
nesses casos.
Referências Bibliográficas