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Eletrônica I 2ª a 6ª Aula Circuitos Retificadores & Filtragem & Diodo Zener & Circuitos com Diodos A vida é uma peça de teatro que não permite ensaios. Por isso, cante, chore, dance, ria e viva intensamente, antes que a cortina se feche e a peça termine sem aplausos. Charles Chaplin Eletrônica I 2ª a 6ª Aula Circuitos Retificadores Fonte de Alimentação Fontes de alimentação são componentes praticamente onipresentes no mundo atual. Esta característica decorre do fato que, se por um lado a quase totalidade dos circuitos eletrônicos requer corrente contínua para sua operação, por outro, mesmo em aparelhos que usam pilhas ou baterias, pode haver necessidade de conversão de sua tensão para os níveis de operação utilizados pelos circuitos. Fonte de Alimentação Regulada Linear 0) Corrente Alternada: 0) Corrente Alternada: 9Chamamos de corrente alternada a uma corrente que muda periodicamente de sentido; 9Uma representação gráfica de corrente ou tensão alternada chamamos de forma de onda; 9A forma de onda mostra, as variações da corrente ou tensão alternada no tempo. 0) Corrente Alternada: VALORES DE CORRENTE OU TENSÃO ALTERNADA a. Valor Máximo ou Valor de Pico É o valor máximo VM ou IM. É aplicado tanto ao pico negativo como ao positivo. Valor de Pico Vp = VM Ip = IM t V;I Vp 0) Corrente Alternada: VALORES DE CORRENTE OU TENSÃO ALTERNADA b. Valor de Pico a Pico Corresponde ao dobro do valor de pico quando os picos positivos e negativos são simétricos. Valor de Pico a Pico Vpp = 2*VM Ipp = 2*IM t V;I Vp 0) Corrente Alternada: VALORES DE CORRENTE OU TENSÃO ALTERNADA c. Valor Médio Corresponde a média dos valores instantâneos de um semiciclo. Valor médio Vmed = 𝟐∗𝑽𝒑 𝝅 Vmed = 0,637∗ 𝑽𝒑 t V;I Vp Vmed 0) Corrente Alternada: VALORES DE CORRENTE OU TENSÃO ALTERNADA d. Valor Eficaz ou RMS Corresponde à mesma quantidade de corrente ou tensão contínua capaz de produzir a mesma potência de aquecimento. Valor eficaz VRMS = 𝑽𝒑 𝟐 VRMS = 0,707∗ 𝑽𝒑 t V;I Vp VRMS 0) Corrente Alternada: VALORES DE CORRENTE OU TENSÃO ALTERNADA d. Valor Eficaz ou RMS Valores RMS (de Root Mean Square). Os valores RMS são lidos nos instrumentos de medição. (Note que tais instrumentos indicam valores RMS de grandezas que se comportam de forma senoidal ao longo do tempo. 0) Corrente Alternada: VALORES DE CORRENTE OU TENSÃO ALTERNADA Valor de Pico a Pico t V;I Vp Valor Eficaz Valor Eficaz = 0,707 * Vp Valor Médio Valor Médio = 0,637 * Vp 1) Transformador: Um transformador é um dispositivo que transforma uma corrente alternada senoidal, com uma determinada tensão, numa corrente elétrica senoidal, com uma tensão eventualmente diferente, sendo esta transformação realizada através da ação de um fluxo magnético no acoplamento de dois enrolamentos. 1) Transformador: 1.1 Funcionamento Quando ligamos uma corrente alternada no enrolamento primário é produzido um campo magnético que é proporcional ao número de voltas do fio em torno do metal e a intensidade da corrente aplicada. O fluxo magnético que é produzido chega ao núcleo do braço metálico e sem encontrar resistência chega ao enrolamento secundário. 1) Transformador: rt = 𝑵𝒑 𝑵𝒔 = 𝑽𝒑(𝒕) 𝑽𝒔(𝒕) = 𝑰𝒔(𝒕) 𝑰𝒑(𝒕) η = 𝑺𝒔 𝑺𝒑 = 𝑽𝒔∗𝑰𝒔 𝑽𝒑∗𝑰𝒑 rt = Relação de transformação η = rendimento do transformador 1.2 Relação de transformação. 1) Transformador: Exercícios 1) Transformador: 1) Uma máquina de solda elétrica precisa operar com uma corrente elétrica de 400 A para que haja potência dissipada suficiente para fundir as peças metálicas. A potência necessária é dada por P =R.i2, onde R é a resistência dos eletrodos de solda. Com a intenção de obter esse valor de corrente elétrica, utiliza-se um transformador, que está ligado a uma rede elétrica cuja tensão vale 110 V, e pode fornecer um máximo de 40 A. Qual deve ser a razão do número de espiras entre o enrolamento primário e o secundário do transformador, e qual a tensão de saída? 2) Num transformador, a razão entre o número de espiras no primário (N1) e o número de espiras no secundário (N2) é N1/N2 = 10. Aplicando-se uma diferença de potencial alternada V1 no primário, a diferença de potencial induzida no secundário é V2. Supondo tratar-se de um transformador ideal, qual a relação entre V2 e V1? 1) Transformador: 3) Seja considerado um transformador monofásico, ideal, cuja potência seja de 1000VA, tensão do seu circuito primário de 220Volts e a do seus circuito secundário de 110Volts, determine: a)Sua relação de transformação; b)Considerando-o com o rendimento igual a um, quais os valores das correntes do seu circuito primário e secundário, respectivamente? c)Este transformador é elevador, abaixador ou isolador? d)Se o número de espiras do seu secundário Ns for de 400 espiras, qual será o número de espiras do seu circuito primário Np? 4) Seja considerado um transformador monofásico, cuja potência seja 1000VA, tensão do seu circuito primário de 500Volts e a do seu circuito secundário de 100Volts, determine: a)Sua relação de transformação; b)Considerando-o com rendimento igual a 0.80, quais os valores das correntes do seu circuito primário e secundário, respectivamente? 2) Retificador: É um dispositivo que permite que uma tensão ou corrente alternada (CA) (normalmente senoidal) do secundário do transformador, seja constante ou transformada, em contínua ondulada (com ripple). 2) Retificador: 2.1 Funcionamento O diodo semicondutor é um componente não linear que permite passagem de corrente num sentido e impede a passagem de corrente no sentido contrário. 2) Retificador: 2.2 Circuitos de retificação 1) Retificador de meia-onda; 2) Retificador de onda completa a) Com tap central; b) Em ponte. 2) Retificador: 2.2.1) Retificador de meia-onda 2) Retificador: 2) Retificador: semiciclo + semiciclo – PIV=VS 2.2.1) Retificador de meia-onda 2.2.1) Retificador de meia-onda 2) Retificador: t Vs Vd VRL Vs 0,7 -Vs Vs - 0,7 -Vs 2.2.1) Retificador de meia-onda 2) Retificador: a) VRMS = 𝑽𝒑 𝟐 O Valor da tensão DC, em RL, na saída é o VMED de tensão. VCC = VMED b) VMED = 𝑽𝒑 𝝅 = 𝟎, 𝟒𝟓 ∗ 𝑽𝑹𝑴𝑺 d) IRL = 𝑽𝒄𝒄 𝑹𝑳 e) Ip = 𝑽𝒑 𝑹𝑳 g) ID = IRL c) PIV = -Vp f) IMED = 𝑰𝒑 𝝅 h) fout = fin 2.2.1) Retificador de meia-onda - Exemplo Dado Vs = 18v e Rl = 470Ω. Determinar: a) Vcc; b) Vo; c) IL; d) ID; e) Ip; f) PIV 2) Retificador: 2.2.1) Retificador de meia-onda - Exemplo 2) Retificador: 2.2.2) Retificador de onda completa 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa com tap central 2.2.2.1) Retificador de onda completa com tap central 2) Retificador: Funcionamento do circuito. Este circuito é também denominado de retificador de onda completaconvencional. 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 R e chega ao ponto C. Quando A é negativo, B é positivo, a corrente sai de B passa por D2 e R e chega ao ponto C. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em R e por isto, a corrente em R é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída. A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada. A B C 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa com tap central Ciclo Positivo I I Ciclo Negativo 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa com tap central A B C VAC VBC VD1 VD2 VRL D1 D2 b) VRMS = 𝑽𝒑 𝟐 O Valor da tensão DC, em RL, na saída é o VMED de tensão. VCC = VMED c) VMED = 𝟐∗𝑽𝒑 𝝅 = 𝟎, 𝟗 ∗ 𝑽𝑹𝑴𝑺 e) IRL = 𝑽𝒄𝒄 𝑹𝑳 f) Ip = 𝑽𝒑 𝑹𝑳 g) ID_MED = IRL/2 d) PIV = 2* Vp = 2 * VS * 𝟐 h) fout = 2 * fin 2) Retificador: a) VAC = VBC = 𝑽𝑨𝑩 𝟐 2.2.2.1) Retificador de onda completa com tap central 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa com tap central Se inverter D1 e D2, como ficaria a saída ? 2.2.2.1) Retificador de onda completa - Exemplo Dado Vs = 18v e Rl = 470Ω. Determinar: a) Vcc; b) Vo; c) IL; d) ID; e) Ip; f) PIV 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa - Exemplo Dado Vs = 18v e Rl = 470Ω. Determinar: 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa - Exemplo Dado VAB = 18v e Rl = 470Ω. Determinar: a) Vcc; b) Vo; c) IL; d) ID; e) Ip; f) PIV 2) Retificador: 2.2.2.1) Retificador de onda completa - Exemplo Dado VAB = 18v e Rl = 470Ω. Determinar: 2) Retificador: 2) Retificador: 2.2.2.2) Retificador de onda completa com ponte 2) Retificador: Funcionamento do circuito. 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.. 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 2.2.2.2) Retificador de onda completa com ponte 2) Retificador: 2.2.2.2) Retificador de onda completa com ponte I I D1 D3 2) Retificador: 2.2.2.2) Retificador de onda completa com ponte I I D4 D2 Corrente D1 e D3 ID1 e ID3 Tensão D1 e D3 VD1 e VD3 Corrente D2 e D4 ID2 e ID4 Tensão D2 e D4 VD2 e VD4 VAB Vent a) VRMS = 𝑽𝒑 𝟐 O Valor da tensão DC, em RL, na saída é o VMED de tensão. VCC = VMED b) VMED = 𝟐∗𝑽𝒑 𝝅 = 𝟎, 𝟗 ∗ 𝑽𝑹𝑴𝑺 d) IRL = 𝑽𝒄𝒄 𝑹𝑳 e) Ip = 𝑽𝒑 𝑹𝑳 f) ID = IRL c) PIV = Vp = VAB * 𝟐 g) fout = 2 * fin 2) Retificador: 2.2.2.2) Retificador de onda completa com ponte 2) Retificador: 2.2.2.2) Retificador de onda completa com tap central Se inverter os diodos, como ficaria a saída ? VAB Vent 2) Retificador: 2.2.2.2) Retificador de onda completa com ponte Dado Vs = 30v e Rl = 820Ω. Determinar: a) Vcc; b) Vo; c) IL; d) ID; e) Ip; f) PIV 2) Retificador: 2.3) Fator de Ripple: Como já vimos, a tensão contínua fornecida por um circuito retificador é pulsante, ou seja, não possui um nível constante no tempo. Isso acontece porque a tensão de saída é resultante da soma de uma componente contínua (VCC) e uma componente alternada (VCA) responsável pela ondulação do sinal. Essa ondulação é denominada de fator de ripple (que significa “ondulação” em inglês). Ela corresponde a quantas vezes o valor eficaz da componente alternada é maior que a componente contínua sobre a carga. 2) Retificador: 2.3) Fator de Ripple: Esse valor é dado por: r = 𝑽𝑪𝒂𝒆𝒇 𝑽𝒄𝒄 Onde: r é o fator de ripple; VCaef é o valor da tensão alternada eficaz; VCC é o valor da tensão contínua. Para a retificação de meia-onda, o fator de ripple é: r% = 120% Para a retificação de onda completa, o fator de ripple é: r% = 48% 2) Retificador: Exercícios 1 – No Retificador de meia onda,a tensão no secundário do transformador é 35Vac.Qual a tensão média(Vcc)? Qual a corrente média através da resistência de carga? (considere RL=500Ω) 2 – No Retificador de meia onda com RL= 390Ω, a tensão no secundário é 73Vac. Qual a tensão de pico inversa (PIV)? A tensão média na carga (Vcc) e a corrente de cada diodo? 3 – Um retificador de meia onda produz 40mA (cc) para uma resistência de carga de 2KΩ . Calcule a tensão cc de saída e a tensão de pico inversa do diodo. 4 – Um retificador de meia onda opera com a tensão de 120V (rms) da linha comercial através de um transformador abaixador de 3:1. Calcule a tensão cc, a corrente cc e a tensão de pico inversa. RL= 300Ω 5 – Um retificador de onda completa com tomada central com RL= 82Ω, tem a tensão no secundário de 43Vac. Calcule a tensão de carga cc, a corrente dos diodos e a corrente na carga e a PIV. 6 – Repita o problema anterior para uma tensão no secundário de 58Vac e RL= 150Ω. 7 – Um diodo tem como especificações: Io= 150mA e PIV= 75V. Este diodo é adequado para operar com uma tensão 60Vac no secundário de um retificador d onda completa com tomada central tendo RL=180Ω. 8 – Um retificador de onda completa com derivação central possui uma tensão cc de 80V. Calcule a PIV, a tensão ac no secundário. 9 – Um retificador de onda completa com derivação central possui Io = 34mA. Calcule Icc, Vcc, PIV e a tensão ac no secundário sabendo que RL= 300Ω. 2) Retificador: Exercícios Eletrônica I 2ª a 6ª Aula Filtragem 3) Filtro: Após o processo de retificação, este sinal é continuo, mas pulsante Inadequado para alimentar circuitos eletrônicos os quais precisam de uma tensão de alimentação CC. São utilizados filtros logo após a retificação de modo a se obter uma tensão mais próxima de uma tensão constante. O fator de ondulação (ripple) seja reduzido para o menor possível (no caso ideal, nulo). Se baseiam na capacidade de armazenamento de energia de um capacitor . 3) Filtro: 3) Filtro: A ondulação na saída de um circuito retificador depende fundamentalmente dos três fatores. 1) Capacidade de armazenamento do capacitor A capacidade de armazenamento de um capacitor é proporcional ao valor de sua capacitância. Fixado o valor da resistência de carga, um maior valor da capacitância implica um processo de descarga mais lento e, consequentemente, uma menor tensão de ondulação. FATORES QUE INFLUENCIAM A ONDULAÇÃO 2) Resistência de carga Quanto maior for o valor da resistência de carga,menor será a corrente suprida pelo capacitor durante o processo de descarga. Dessa forma, a carga elétrica armazenada na armadura positiva do capacitor diminui mais lentamente na descarga, resultando em uma menor tensão de ondulação. 3) Tipo de circuito retificador Fixados os valores da resistência de carga e da capacitância do circuito retificador, a tensão de ondulação fica dependente apenas do tipo de circuito retificador. No circuito retificador de onda completa o capacitor é carregado duas vezes a cada ciclo da tensão de entrada. Esse tipo de circuito opera, portanto, com a metade do tempo do retificador de meia onda, exibindo assim uma menor tensão de ondulação. 3) Filtro: FATORES QUE INFLUENCIAM A ONDULAÇÃO 3.1) Filtro com Capacitor: Esse é o tipo mais básico de filtro, sendo constituído simplesmente por um capacitor ligado na saída de um circuito retificador. Muito usado em circuitos de baixa potência. Naqueles que utilizam tensões mais altas pode não atuar de maneira satisfatória. 3.1.1) Funcionamento A atuação desse filtro pode ser dividida em duas etapas: 1) Quando a tensão vinda do circuito retificador é superior à do capacitor, os diodos entram em condução, carregando o capacitor e alimentando também a carga; 2) Quando a tensão retificada está abaixo da tensão do capacitor carregado, os diodos bloqueiam a corrente que tende a ir do filtro de volta para o circuito retificador e, assim, o capacitor passa a fornecer sua energia armazenada apenas para a carga, mantendo a tensão sobre ela bem mais próxima de uma tensão CC. 3) Volta a 1ª etapa 3.1) Filtro com Capacitor: 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: Capacitor de filtro 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: Funcionamento 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 da tensão do capacitor, 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 (Δt) o diodo conduz. O capacitor descarregará de VP até Vmin e neste intervalo o diodo não conduzirá 3.2.1) Funcionamento – Tensões de saída Vcc 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: 3.2.1) Funcionamento – Tensões de saída 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: 3.2.1) Funcionamento – Tensões de saída 𝑽𝒑𝒑 𝒐𝒏𝒅 = 𝑰𝒄𝒄 𝒇𝒓∗𝑪 = 𝑽𝒄𝒄 𝒇𝒓∗𝑹𝒍 ∗ 𝑪 3.2.1.1) Tensão de Ondulação – Vpp(ond) e Vr (rms) 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 = 𝑽𝒑𝒑 (𝒐𝒏𝒅) 𝟐∗ 𝟑 = 𝑰𝒄𝒄 𝟐∗ 𝟑∗𝒇𝒓 ∗𝑪 = 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟖 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 = 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟖 ∗ 𝑽𝒄𝒄 𝑹𝑳 ∗ 𝑪 Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede –> fr =60Hz 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: 𝑽𝒑𝒑 𝒐𝒏𝒅 = 𝑽𝒑 (𝒓𝒆𝒔) − 𝑽𝒎𝒊𝒏 Calcule a tensão de ondulação de um retificador de onda completa com um capacitor de 100uF, conectado a uma carga que drena 50 mA 3.2.1.1) Tensão de Ondulação - Vpp (ond) - Exemplo 𝑽𝒑𝒑 𝒐𝒏𝒅 = 𝑰𝒄𝒄 𝒇𝒓 ∗ 𝑪 => Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede –> fr =60Hz 𝟓𝟎𝒙𝟏𝟎 −𝟑 𝟔𝟎 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎 −𝟔 ⇒ 𝟖, 𝟑𝟑𝑽 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: Calcule a tensão de ondulação de um retificador de onda completa com um capacitor de 100uF, conectado a uma carga que drena 50 mA 3.2.1.1) Tensão de Ondulação - Vr (rms) - Exemplo 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 = 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟖 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 => Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede –> fr =60Hz 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟖 ∗ 𝟓𝟎𝒙𝟏𝟎 −𝟑 𝟏𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎 −𝟔 ⇒ 𝟐, 𝟒𝑽 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: 3.2.2) Funcionamento – Tensões de saída 3.2) Filtro com Capacitor com retif. de meia onda 3.2.2.1) Tensão CC - Vcc 𝑽𝒄𝒄 = 𝑽𝒎 − 𝑽𝒑𝒑 (𝒐𝒏𝒅) 𝟐 = Vm - 𝑰𝒄𝒄 𝟐∗𝒇𝒓 ∗𝑪 = 𝑽𝒎 − 𝟎,𝟎𝟎𝟖𝟑 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 Vp(res) = Vm – Vd => Vd = 0,7v => Vp(res) ≈ Vm Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede –> fr =60Hz 3.2) Filtro com Capacitor com retif. de meia onda 3.2.2.1) Tensão CC – Vcc - Exemplo 𝑽𝒄𝒄 = 𝑽𝒎 − 𝟎,𝟎𝟎𝟖𝟑 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 => Se o valor de pico, para o exemplo anterior for de 30v, calcule a tensão continua fornecida pelo filtro. 𝟑𝟎 − 𝟎,𝟎𝟎𝟖𝟑 ∗𝟓𝟎𝒙𝟏𝟎 −𝟑 𝟏𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎 −𝟔 => Vcc = 𝟐𝟓, 𝟗 𝒗 Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede –> fr =60Hz 3.2.3) Tensão de pico inversa - PIV 3.2) Filtro com Capacitor para retificador de meia onda: O pico inverso de tensão no diodo é o dobro da tensão de pico. PIV = -2VP O capacitor aumenta a tensão inversa no diodo devido a que o mesmo permanece carregado quando o diodo não estiver conduzindo. 3.2) Filtro com Capacitor com retif. de meia onda Exercícios de fixação 1) Sendo VAB =18Vef, C=1000 µF, IL = 180 mA, retificador de meia onda, determine: a) Vond b) VP c) Vmin d) Vcc e) PIV Resp: V ond = 3 V VP = 25,4 V V min = 22,4 V VCC = 23,9 V PIV = - 50,8 V 3.2) Filtro com Capacitor com retif. de meia onda Exercícios de fixação 1) Sendo VAB =18Vef, C=1000 µF, IL = 180 mA, retificador de meia onda, determine: 3.2) Filtro com Capacitor com retif. de meia onda Exercícios de fixação 2) Sendo VL =12Vcc, ILmax = 500 mA, e com um ripple max de +- 10%, em um retificador de meia onda, determine o capacitor deste filtro: 3.3) Filtro com Capacitor para retificador de onda completa: 3.3.1) Funcionamento 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 3.3.1) Funcionamento – Temporização de Saida /2 Tc : É aquele em que os diodos retificadores , conduzem, carregando o Capacitor até a tensão de pico do retificador Td : É o intervalo de tempo durante o qual a tensão do retificador cai abaixo da tensão de pico e o capacitor descarrega através da carga 3.3.2) Funcionamento – Tensões de saída 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa Vcc 3.3.2) Funcionamento – Tensões de saída 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 𝑽𝒑𝒑 𝒐𝒏𝒅 = 𝑰𝒄𝒄 𝒇𝒓∗𝑪 = 𝑽𝒄𝒄 𝒇𝒓∗𝑹𝒍 ∗ 𝑪 3.3.2.1) Tensão de Ondulação – Vpp(ond) e Vr (rms) 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 = 𝑽𝒑𝒑 (𝒐𝒏𝒅) 𝟐∗ 𝟑 = 𝑰𝒄𝒄 𝟐∗ 𝟑∗𝒇𝒓 ∗𝑪 = 𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟒 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 = 𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟒 ∗ 𝑽𝒄𝒄 𝑹𝑳 ∗ 𝑪 Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede – 2 * fr =120Hz 𝑽𝒑𝒑 𝒐𝒏𝒅 = 𝑽𝒑 (𝒓𝒆𝒔) − 𝑽𝒎𝒊𝒏 3.3) Filtrocom Capacitor com retif. de onda completa Calcule a tensão de ondulação de um retificador de onda completa com um capacitor de 100uF, conectado a uma carga que drena 50 mA 3.3.2.1) Tensão de Ondulação - Vr (rms) - Exemplo 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 = 𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟒 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 => Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede – 2 * fr =120Hz 𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟒 ∗ 𝟓𝟎𝒙𝟏𝟎 −𝟑 𝟏𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎 −𝟔 ⇒ 𝟏, 𝟐𝑽 3.3.2) Funcionamento – Tensões de saída 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 3.3.2.2) Tensão CC - Vcc 𝑽𝒄𝒄 = 𝑽𝒎 − 𝑽𝒑𝒑 (𝒐𝒏𝒅) 𝟐 = Vm - 𝑰𝒄𝒄 𝟐∗𝒇𝒓 ∗𝑪 = 𝑽𝒎 − 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟏𝟕 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 Vp(res) = Vm – Vd => Vd = 0,7v a 1,4v => Vp(res) ≈ Vm Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede – 2 * fr =120Hz 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 3.3.2.2) Tensão CC – Vcc - Exemplo 𝑽𝒄𝒄 = 𝑽𝒎 − 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟏𝟕 ∗ 𝑰𝒄𝒄 𝑪 => Se o valor de pico, para o exemplo anterior for de 30v, calcule a tensão continua fornecida pelo filtro. Icc = Corrente na carga em miliamperes. C = Capacitor em microfarads. Rl = Resistência de Carga em kiloohms. Fr = frequência da rede – 2 * fr =120Hz 𝟑𝟎 − 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟏𝟕 ∗𝟓𝟎𝒙𝟏𝟎 −𝟑 𝟏𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎 −𝟔 => 𝟐𝟕, 𝟗 𝒗 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa Exercícios de fixação 1.1) Sendo VAB =18Vef, C=1000 µF, IL = 180 mA, retificador de onda completa, determine: a) Vond b) VP c) Vmin d) Vcc e) PIV Resp: V ond = 3 V VP = 25,4 V V min = 22,4 V VCC = 23,9 V PIV = - 50,8 V 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa Exercícios de fixação 1.2) Sendo VL =12Vcc, ILmax = 500 mA, e com um ripple max de +- 10%, em um retificador de onda completa , determine o capacitor deste filtro: 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 2) Sendo VCC = 12 Volts, IL = 300 mA, Vond = 2 V, retific. de onda completa determine: O capacitor e o valor eficaz da tensão alternada na saída do transformador. 3) Sendo IL = 1,5 A, VAB = 30 Vef, C = 2200 µF, determine: Vond e Vcc. 4) Sendo IL = 500 mA, VCC = 12V, Vond = 2V, determine o valor do capacitor e da tensão de saída do transformador. 5) Sendo IL = 600 mA, C = 1000 µF, VAB = 18 Vef, determine: Vond e Vcc. 6) Sendo IL = 300 mA, VCC = 20V, Vond = 2,5 V, determine o valor do capacitor e da tensão de saída do transformador. 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 3.3) Filtro com Capacitor com retif. de onda completa 1) Resp: V ond = 1,5 V VP = 25,4 V V min = 23,9 V VCC = 24,65 V PIV = - 50,8 V 2) Resp: C = 2500 µF VAB = 9,2 Vef 3) Resp: Vond = 5,7 V Vcc = 39,5 V 4) C = 2083 µF (O valor comercializado mais próximo é de 2200µF) VAB = 9,2 Vef 5) Resp: Vond = 5 V VCC = 10,2 V 6) Resp: C = 1000 µF VAB = 30 Vef É a relação entre a tensão de ondulação (Vr(rms)) e a tensão continua de saída (Vcc), medida em porcentagem. 3.4) Fator de ondulação de um filtro com capacitor 𝒓(%) = 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 𝑽𝒄𝒄 * 100 = 𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟒 ∗𝑰𝒄𝒄 𝑪 ∗𝑽𝒄𝒄 ∗ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟒 𝑹𝒍 ∗ 𝑪 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝒓(%) = 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 𝑽𝒄𝒄 * 100 = 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟖 ∗𝑰𝒄𝒄 𝑪 ∗𝑽𝒄𝒄 ∗ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟖 𝑹𝒍 ∗ 𝑪 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝐚) 𝐅𝐢𝐥𝐭𝐫𝐨 𝟏 𝟐 𝐨𝐧𝐝𝐚 𝐛) 𝐅𝐢𝐥𝐭𝐫𝐨 𝐨𝐧𝐝𝐚 𝐜𝐨𝐦𝐩𝐥𝐞𝐭𝐚: 3.4.1) Fator de Ondulação de um filtro a Capacitor - Exemplo 𝒓(%) = 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 𝑽𝒄𝒄 * 100 => Em relação aos exemplo anterior, qual o fator de ondulação deste retificador. 𝟐,𝟒 𝟐𝟓,𝟗 * 100 => 9,2% 𝒓(%) = 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 𝑽𝒄𝒄 * 100 => 𝟏,𝟐 𝟐𝟕,𝟗 * 100 => 4,3% 𝐚) 𝐅𝐢𝐥𝐭𝐫𝐨 𝟏 𝟐 𝐨𝐧𝐝𝐚 𝐚) 𝐅𝐢𝐥𝐭𝐫𝐨 𝐨𝐧𝐝𝐚 𝐜𝐨𝐦𝐩𝐥𝐞𝐭𝐚 3.4) Fator de ondulação de um filtro com capacitor Observações a capacitância do capacitor: quanto maior, mais energia o capacitor terá para fornecer para a carga o que diminui a queda de tensão sobre ela; a corrente absorvida pela carga: quanto maior a corrente, mais rápido será absorvida a energia do capacitor, acelerando sua descarga e queda de tensão; para melhorar a eficiência de um filtro, ao invés de alterar o tamanho do capacitor, podemos escolher as retificações em ponte ou tap central, já que elas diminuem o tempo de descarga do capacitor pela metade em relação à retificação de meia onda. 3.5) Filtro com CAPACITOR Observações Num projeto prático esta Vpp(sen) ,deve ficar abaixo dos 10% do valor máximo de tensão na carga Vp(res) ou Vm. Ao se projetar uma fonte retificadora, além do valor da capacitância do filtro, deve-se, também, especificar sua tensão de isolação. A tensão de isolação deve ser sempre superior ao maior valor da tensão de operação do capacitor. Na prática, os filtros capacitivos normalmente utilizados na construção de fontes retificadoras são do tipo eletrolítico, pois esse tipo de filtro apresenta um alto valor de capacitância por unidade de volume. 3.5) Filtro com CAPACITOR 3.6) Resumo Meia Onda Onda Compl. Tap Central Onda Compl. Ponte Tensão Média na carga Vdc = 𝑽𝒎𝒂𝒙 𝝅 Vdc = 𝟐∗𝑽𝒎𝒂𝒙 𝝅 Vdc = 𝟐∗𝑽𝒎𝒂𝒙 𝝅 Corrente Média na carga Idc = 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Idc = 𝟐∗𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Idc = 𝟐∗𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Tensão Eficaz na carga Vef = 𝑽𝒎𝒂𝒙 𝟐 Vef = 𝑽𝒎𝒂𝒙 𝟐 Vef = 𝑽𝒎𝒂𝒙 𝟐 Corrente Média no diodo Idc = 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Idc = 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Idc = 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Corrente Direta máxima Imax > 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Imax > 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Imax > 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝝅 Tensão Reversa Máxima Vrmax > Vmax Vrmax > 2*Vmax Vrmax > Vmax 3.6) Resumo Meia Onda Onda Compl. Tap Central Onda Compl. Ponte Fator de Ripple sem filtro 𝒓(%) = 𝑽𝒓 𝒓𝒎𝒔 𝑽𝒄𝒄 * 100 120% 48% 48% Tensão de Ripple 𝑽𝒑𝒑 𝒐𝒏𝒅 = 𝑰𝒄𝒄 𝒇𝒓∗𝑪 = 𝑽𝒄𝒄 𝒇𝒓∗𝑹𝒍 ∗ 𝑪 Tensão Média DC 𝑽𝒄𝒄 = 𝑽𝒎 − 𝑽𝒑𝒑 (𝒐𝒏𝒅) 𝟐 = Vm - 𝑰𝒄𝒄 𝟐∗𝒇𝒓 ∗𝑪 Tensão de Ripple Eficaz Vr 𝒓𝒎𝒔 = 𝑽𝒑𝒑 (𝒐𝒏𝒅) 𝟐∗ 𝟑 = 𝑰𝒄𝒄 𝟐∗ 𝟑∗𝒇𝒓 ∗𝑪 fr (Hz) 60 120 120 Eletrônica I 2ª a 6ª Aula Diodo Zener 4) Regulador: A última etapa da fonte, é um dispositivo que funciona de forma a linearizar o máximo possível a saída da fonte na tensão desejada. Ou seja, por mais que entre uma tensão pulsante e maior que a desejada na entrada do regulador, este deve apresentar em sua saída um valor constante fixo, e aguentar também variações na corrente da carga e na temperatura. 4) Regulador: 4) Regulador: 4.1) DIODO ZENER : É um diodo construído especialmente para trabalhar na tensão de ruptura. Seu comportamento é o de um diodo comum quando polarizado diretamente. Quando polarizado inversamente ao contrário de um diodo convencional, ele suporta tensões reversas próximas a tensão de ruptura. 4) Regulador: 4.2) DIODO ZENER –Zener Ideal O zener ideal é aquele que se comporta como uma chave fechada para tensões positivas ou tensões negativas menores que –VZ . Ele se comportará como uma chave aberta para tensões negativas entre zero e –VZ. 4) Regulador: 4.3) DIODO ZENER – Reta de Carga Graficamente é possível obter a corrente elétrica sob o diodo zener com o uso de reta de carga. 4) Regulador: 4.4) Análise de circuitos com Zener Objetivo: manter a tensão sobre a carga constante e de valor VZ. Cálculo do resistor de carga RS: Garante a corrente mínima para a carga: Garante que sob o zener não circule uma corrente maior que IZMAX Vout = Vz Is = 𝑽𝒔 −𝑽𝒐𝒖𝒕 𝑹𝒔 IL = 𝑽𝒐𝒖𝒕 𝑹𝑳 Iz = Is – IL Pz = Vz * Iz s 4) Regulador: 4.4) Análise de circuitos com Zener 4.5) Regulador Zener: Caracteristicas de funcionamento a) A variação de corrente na carga, é complementada por uma variação oposta na corrente shunt. Se a corrente de carga aumenta em 1ma a corrente de shunt, ou zener diminui em 1ma, visto que a corrente Is é constante. Is = IL + Iz 4) Regulador: 4.5) Regulador Zener: Caracteristicas de funcionamento b) 0 valor escolhido para Rs é critico. Rs deve ter um valor baixo o suficiente para permitir que a corrente no Zener seja adequada e, ao mesmo tempo, deve ter um valor alto o suficiente para evitar que a corrente e a dissipação de potencia no Zener excedam seus limites permitidos. 4) Regulador: < < Regulador Zener: Exemplo 4) Regulador: Um regulador zener tem uma tensão de entrada de 15V a 20V e a corrente de carga de 5 a 20mA. Se o zener tem VZ=6,8V e IZMAX=40mA, qual o valor de RS? Solução: RS < (15-6,8)/(20m+4m) = 342 Ω Considerando que: IzMin = 0,1 x IzMax RS > (20-6,8)/(5m+40m) = 293 Ω 293 Ω < RS <342 Ω Regulador Zener: Exemplo No circuito mostrado abaixo, RS = 20Ω, VZ = 14 V e RL = 200Ω . Se Vin, variar de 20 V a 30 V, calcule: a) as correntes máxima e mínima no diodo Zener; b) a dissipação de potência máxima e mínima no diodo Zener; c) a dissiparão de potência máxima em RS. 4) Regulador: 4) Diodo Zener Eletrônica I 2ª a 6ª Aula Circuitos com diodo 5) Circuitos com Diodo 1) Circuitos Ceifadores 2) Grampeadores 3) Multiplicador de Tensão 4) Circuitos Lógicos 5) Circuitos com Diodo 5.1) Circuitos Ceifadores Circuitos ceifadores são aqueles que ceifam (cortam) parte do sinal aplicado em sua(s) entrada(s), sem distorcer o restante da forma de onda no tempo. Utilizados para limitar a amplitude de um sinal (proteção), para formação de ondas e para o controle de potência entregue à carga. Considerações do Projeto : Deve ser escolhido um diodo cujas especificações atendam às condições de trabalho do circuito. Calcule o valor de R de tal forma que a corrente que atravessa o diodo não supere a corrente nominal do diodo. O Valor da potência nominal do diodo e do resistor deve ser superior à máxima previsível. 5) Circuitos com Diodo 5.1.1) Circuitos Ceifadores Série 5.1.1.1) Circuitos Ceifadores Série Negativo • O Diodo não conduz nos semiciclos negativos, portanto, na carga temos apenas os semiciclos positivos. 5) Circuitos com Diodo 5.1.1) Circuitos Ceifadores Série 5.1.1.2) Circuitos Ceifadores Série Positivo • O Diodo não conduz nos semiciclos positivos, portanto, na carga temos apenas os semiciclos negativos. 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.1) Circuitos Ceifadores Paralelo Negativo • O Diodo conduz nos semiciclos negativos, portanto, na carga temos apenas os semiciclos positivos. 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.2) Circuitos Ceifadores Paralelo Positivo • O Diodo conduz nos semiciclos positivos, portanto, na carga temos apenas os semiciclos negativos. 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.3) Circuitos Ceifadores Paralelo parte Positivo • Com a fonte no semiciclo positivo o diodo conduz apenas após o Vcc da fonte VL e o VD, limitando o sinal neste valor. 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.3) Circuitos Ceifadores Paralelo parte Positivo A) B) C) 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.3) Circuitos Ceifadores Paralelo parte Positivo Curva de Transferência VL+VD VL+VD VL+VD VE -VE -VE 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo Dado o circuito abaixo, qual a sua forma de onda na saida, levando em consideração a queda de tensão provocada pelo diodo. 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.4) Circuitos Ceifadores Paralelo parte Negativo • Com a fonte no semiciclo negativo o diodo conduz apenas após o Vcc da fonte VL e o VD, limitando o sinal neste valor. 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.4) Circuitos Ceifadores Paralelo parte Negativo 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.5) Circuitos Ceifadores Paralelo duplo ao nível VD • O Sinal fica limitado ao valor da barreira de potencial dos diodos. • Diodo de silício = 0,6V a 0,7V • Diodo de germânio = 0,2V a 0,3V 5) Circuitos com Diodo 5.1.2) Circuitos Ceifadores Paralelo 5.1.2.6) Circuitos Ceifadores Paralelo duplo ao nível qq Dessa forma podemos ceifar os dois semiciclos em qualquer valor, dependendo das fontes ou Zeners de polarização, podendo ser simétricos ou não. 5) Circuitos com Diodo 5.2) Circuitos Grampeadores O circuito grampeador é aquele que "grampeia" o sinal em um nível dc diferente. O circuito deve ter um capacitor, um diodo, e um elemento resistivo, mas pode-se empregar uma fonte de independente para introduzir um deslocamento adicional. O valor de R e C deve ser escolhido de maneira que a constante de tempo TC = RC seja grande o suficiente para assegurar que a tensão através do capacitor não descarregue significativamente durante o intervalo em que o diodo não esta conduzindo. 5) Circuitos com Diodo 5.2) Circuitos Grampeadores 5) Circuitos com Diodo 5.2) Circuitos Grampeadores a) Diodo Conduzindo 5) Circuitos com Diodo 5.2) Circuitos Grampeadores b) Diodo Não Conduzindo 5) Circuitos com Diodo 5.2) Circuitos Grampeadores 5) Circuitos com Diodo 5.2) Circuitos Grampeadores 5) Circuitos com Diodo 5.3) Circuitos Multiplicadores de Tensão a) O circuito multiplicador de tensão é aquele que aumenta o valor de uma tensão AC (senoidal) por um numero inteiro maior ou igual a dois. b) Os mais comuns são, o Dobrador, o Triplicador e o Quadruplicador. c) São basicamente constituídos por retificadores que em função do números de estágios, conseguem retificar e multiplicar o valor da tensão de pico de entrada. d) Com o aumento da tensão de saída, há uma diminuição da corrente que o circuito pode fornecer. 5) Circuitos com Diodo 5.3) Circuitos Multiplicadores de Tensão 5.3.1) Circuitos Multiplicadores de Tensão: 2x 5.3.1.1) Dobrador de tensão de meia onda: 5) Circuitos com Diodo 5.3) Circuitos Multiplicadores de Tensão 5.3.1) Circuitos Multiplicadores de Tensão: 2x 5.3.1.1) Dobrador de tensão de meia onda:-2Vm No semiciclo +, D1conduz e D2 corta e o capacitor C1 = Vm. No semiciclo -, D1 corta e D2 conduz e o capacitor C2 = -( Vm + VC1) = -2Vm . 5) Circuitos com Diodo 5.3) Circuitos Multiplicadores de Tensão 5.3.1) Circuitos Multiplicadores de Tensão: 2x 5.3.1.2) Dobrador de tensão de onda completa: 5) Circuitos com Diodo 5.3) Circuitos Multiplicadores de Tensão 5.3.1) Circuitos Multiplicadores de Tensão: 2x 5.3.1.2) Dobrador de tensão de onda completa: No semiciclo +, D1 conduz e D2 corta e o capacitor C1 = Vm. No semiciclo -, D1 corta e D2 conduz e o capacitor C2 = Vm. Vs = Vc1 + Vc2 = 2Vm 5) Circuitos com Diodo 5.3) Circuitos Multiplicadores de Tensão 5.3.2) Circuitos Multiplicadores de Tensão: 3x e 4X 5) Circuitos com Diodo 5.4) Circuitos Lógicos (porta E e OU) 6) Bibliografia BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY L. – Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos MALVINO, Albert P. - Eletrônica CIPELLI, Engº Antonio M. V. ; SANDRINI, Engº Waldir J. – Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos Obrigado pela atenção
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