Cap. 4 Retificadores de onda completa - PUC...

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Cap. 4 – Retificadores de onda completa
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    10-Nov-2020
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  • Cap. 4 – Retificadores de ondacompleta

  • • Principal Vantagem

    – Menos Ripple (em relação a retificadores de meia onda)

    Retificadores de onda completa - Introdução

  • Retificadores de ondacompleta de uma fase

  • Retificadores de onda completa de uma fase - Básicos

    Retificador emponte

    Retificador com transformador de tap central

  • Presença do retificador em ponte em circuitos profissionais

    http://www.zen22142.zen.co.uk/Circuits/Power/1230psu.htm

    http://www.eleccircuit.com/high-current-12v-30a25a20a15a-ham-radio-power-supply/

    Fontes de alta potência (retificadores)

    5A, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A

  • Presença do retificador em ponte em circuitos profissionais

    http://www.circuitstoday.com/12v-15a-voltage-regulator

    http://hotresistor.blogspot.com.br/2014/02/making-high-current-12v-voltage.html

  • Retificador em Ponte

    Observações:- Diodos D1 e D2 conduzem ao mesmo tempo- Diodos D3 e D4 conduzem ao mesmo tempo

    - Corrente na carga pode ser positiva ou zero, mas nunca negativa (corrente sempreno mesmo sentido)

  • Retificador em Ponte

    Observações:- Tensão máxima em um diodo reversamente polarizado é igual a –vs- Se D1 esta diretamente polarizado a tensão em D3 é –vs- A corrente média da fonte é zero.- A corrente RMS da fonte é igual a corrente RMS da carga- A frequência fundamental na carga é 2 x a frequência da fonte.- Utiliza 4 diodos.

  • Retificador em Ponte

    Tensão na fonte

    Tensão na carga

    Tensão em D1 e D2

    Tensão em D3 e D4

  • Retificador em Ponte

    Tensão na fonte

    Tensão na carga

    Corrente em D1 e D2

    Corrente em D3 e D4

  • Retificador em Ponte

    Tensão na fonte

    Tensão na carga

    Corrente na carga

    Corrente na fonte

  • Simulação PSPICE

    Restrições do PSPICE para simulação de transformadores:- Todos os nós devem ter um caminho até o terra (GND) é preciso colocar uma resistência alta

    ligando os lados do transformador.- É preciso colocar uma pequena resistência no laço que contem o transformador ideal para impedir

    que a corrente seja infinita e a simulação dê erro.

  • Simulação PSPICE

    Para ver o gráfico sem o fundopreto é preciso ir em Print Preview.

  • Retificador com transformador de tap central

    Observações:- Apenas um diodo conduz de cada vez- A corrente na carga pode ser positiva ou zero mas nunca negativa.- As tensões no secundário do transformador são:

  • Retificador com transformador de tap central

    Observações:- O transformador proporciona isolamento elétrico com a carga- Utiliza 2 diodos e um transformador de tap central.

    *Isolamento elétrico permite medições com o osciloscópio

  • Retificador com transformador de tap central

    Tensão na fonte

    Tensão na carga

    Tensão em D1

    Tensão em D2

    - A frequênciada tensão nacarga é duasvezes a da fonte.

  • Retificador com transformador de tap central

    Tensão na fonte

    Tensão na carga

    Tensão em D1

    Tensão em D2

    - A tensão reversamáxima em um diodoé igual a duas vezes a tensão de pico da carga.

  • Retificador com transformador de tap central

    Tensão na fonte

    Tensão na carga

    Corrente em D1

    Corrente em D2

    Corrente na carga

    Corrente na fonte - Corrente médiana fonte é zero

  • Considerações do Retificador em Ponte

    - A baixa tensão de pico no diodo do retificador em ponte o torna mais adequado para aplicações de alta tensão.

    * Uma alta tensão na fonte será duas vezes maior no diodo podendo queimá-lo, exigindodiodo muito grandes.

  • O retificador com tranformador de tap central apresenta:- Isolação elétrica- Apenas uma queda de tensão de diodo entre a fonte e a carga.

    * É mais adequado para aplicações de baixa tensão e alta corrente.** Como a queda de tensão é menor, essa topologia causa menos impacto em circuitoscom pequenas tensões de alimentação e o ganho é desprezível para o caso de altastensões.

    Considerações do retificador com transformador

  • Carga R

    Retificadores de onda completa de uma fase

  • • Carga Resistiva

    Retificadores de onda completa de uma fase

    - As fórmulas foram desenvolvidas com foco no retificador em ponte, porém a análise também se aplica ao retificador com trasformador de tap central

  • • Carga Resistiva

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Componente DC da Tensão = Valor médio Vo

    Corrente DC

    Atenção para os limites de integração e o período

  • • Carga Resistiva

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Potência absorvida =

    Igual para senoide retificada e não retificada.(VALOR RMS = ÁREA DA CURVA)

  • • Carga Resistiva

    – Corrente na carga é uma senoide retificada em fase com a tensão.

    Portanto:

    Fator de potência = 1

    Retificadores de onda completa de uma fase

  • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Análise semelhante ao circuitocom diodo de roda livre.

    Momento da energização do circuito: Corrente transiente

    Regime permanente:Corrente assume a forma abaixo

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Tensão na carga RL Senoide completa retificada Pode ser representada por uma série de Fourier

    - Termo DC e Harmônicos pares

    e

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Tensão e correntena carga

    Corrente emD1 e D2

    Corrente emD3 e D4

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Tensão e correntena carga

    Tensão e correntena fonte

    Corrente emD1 e D2

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Corrente na carga RL – não linear Calculada usando o teorema da superposição pois a impedância do

    indutor é diferente para cada frequência. A fonte apresenta apenas uma frequência (é senoidal), contudo a

    ponte retificadora gera as diversas frequências harmônicas.

    Corrente DC:

    Amplitude de cada termo dos harmônicos:

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Observações

    - A medida que “n” cresce, a amplitude da tensão diminui.

    - A medida que “n” cresce, a impedância Zn aumenta

    - A redução de tensão e o aumento de impedância faz com que os termos harmônicos reduzam rapidamente, portanto, com apenas alguns termos é possível descrever a corrente na carga.

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Observações

    - Se o indutor for MUITO GRANDE, ele representa uma impedância infinita para as correntes alternadas (componentes harmônicas).

    - A corrente na carga será praticamente DC.

  • • Carga RL

    Retificadores de onda completa de uma fase

    Observações

    - Se o indutor for MUITO GRANDE, ele representa uma impedância infinita para as correntes alternadas (componentes harmônicas).

    - A corrente na carga será praticamente DC.

  • Carga RL + fonte DC

    Retificadores de onda completa de uma fase

  • Carga RL + fonte DCRetificadores de onda completa de uma fase

    • Representa uma carga genérica na indústria

    Exemplos:- Um driver de motor DC- Um carregador de bateria

  • Carga RL + fonte DCRetificadores de onda completa de uma fase

    • Representa uma carga genérica na indústria

    Exemplos:- Um driver de motor DC- Um carregador de bateria

    Modos de operação:• Corrente contínua• Corrente descontínua

  • Carga RL + fonte DCRetificadores de onda completa de uma fase

    Modo de operação em Corrente Contínua

    Condições que definem operação em corrente contínua:

    - Corrente na carga sempre é positiva para a operação em estado permanente

    - Tensão na carga é um senoide completa retificada

  • Carga RL + fonte DCRetificadores de onda completa de uma fase

    A única diferença para o circuito RL é o termo DC da série de Fourier:

    Termos senoidais da série permanecem iguais.

    Modo de operação em Corrente Contínua

  • Carga RL + fonte DCRetificadores de onda completa de uma fase

    Modo de operação em Corrente DESCONTÍNUA

    - A tensão DC da carga se for muito alta faz com que a corrente da carga sempre retorne para zero.

    - Nesse caso deve ser analisado como o circuito retificador de meia onda para carga RL-DC. (ver aulas anteriores do cap.3)

  • Filtro capacitivo de saídaRetificadores de onda completa de uma fase

    Os cálculos utilizam as mesmas fórmulas do cap.3 para o retificador de meia onda.

    Altera-se apenas o período da onda de 2𝜋 para 𝜋.

  • Filtro capacitivo de saída – Video 1Retificadores de onda completa de uma fase

    Ver:0 - 2min50

    4 - 5min308 - 9min30

  • Filtro capacitivo de saída – Video 2Retificadores de onda completa de uma fase

    Até 5min

  • Circuitos dobradores de tensão

    - Dobra o valor da tensão- Retifica a onda

    Assista:CIRCUITO DOBRADOR DE TENSÃO | Fast Lesson #101 https://www.youtube.com/watch?v=4mWs-5-9e0Q

  • Circuitos dobradores de tensão

    Semi-ciclo positivo

    Capacitor C1 carrega

  • Circuitos dobradores de tensão

    Semi-ciclo negativo

    Capacitor C2 carrega

  • Circuitos dobradores de tensão

    Tensão na carga- Dobro do pico da tensão da fonte AC- Tensão retificada

    Importante:- Tensão aumenta e corrente diminui.- Potência permanece constante

    Usado em sistemas com diferentes padrões de tensão

    Exemplos:Transformar de 12Vac em 24Vcc sem usar um tranformador.

  • Circuito retificador com filtro LC

    ObjetivoTensão na saída na prática é quase que puramente DC (ripple mínimo)

    CapacitorMantem a tensão em um nível constante

    Indutor Suaviza a corrente do retificador e reduz as correntes de pico nos diodos

  • Retificadores controlados de onda completa

    - Os diodos são substituidos por SCRs.- Adição de circuitos de controle para disparar os SCRs

  • Retificadores controlados de onda completa

    - Diodos são substituidos por SCRs.

    SCRs S1 e S2 - Se tornam diretamente polarizados no semi-ciclo positivo- Conduzem neste momento apenas se um pulso de corrente for aplicado no gate.

    SCRs S3 e S4- Se tornam diretamente polarizados no semi-ciclo negativo- Conduzem apenas se forem disparados.

  • Retificadores controlados de onda completa

    - O ângulo 𝛼 (ângulo de disparo ou atraso) é o intervalo entre a polarização direta do SCR e a aplicação do pulso no gate.

    - Se o ângulo 𝜶 for zero, então o retificador controlado se comporta como o retificador não controlado (passa os 180 graus).

  • Retificadores controlados no PROTEUS

    Generators Pulse

    Alternator

    Disparo do SCR

    O disparo do SCR pode ser feito através de um:“Pulse generator”

    Youtube:http://www.youtube.com/watch?v=Tfn3xTqTusA

  • Retificadores controlados no PROTEUS

  • Retificadores controlados no PSPICE

  • Exercícios – retificadores de onda completa monofásicos

    Carga RLCarga RLEFiltro capacitivo de saída

  • Exercício – Retificador de onda completa com carga RL:

    O retificador em ponte do circuito abaixo possui fonte AC com Vm=100V em 60Hz e uma carga RL série com R=10 ohm e L=10mH.

    a) Determine a corrente média na cargab) Estime a variação de pico-a-pico da corrente de carga baseada no primeiro termo AC da série de Fourierc) Determine a potência absorvida pela carga e o fator de potência do circuitod) Determine a corrente média dos diodos.

  • FórmulasSérie de Fourier de uma onda completa retificada

    Tensão média

    Corrente média

    Harmônicos(“n” par)

    Amplitudes das correntesdos harmônicos

    Valor de pico-a-pico = 2 x Valor de amplitude

    Potência na carga

    Corrente RMS

    Fator de potência

    *Diodos conduzem apenas metade do período

  • Resolução

    a) Determine a corrente média na carga

    Para determinar a corrente média na carga é preciso antes determinar a tensão média na carga

    A tensão não é senoidal, portanto precisamos da série de Fourier

    (Fórmulas dadas)

  • Resolução

    a) Determine a corrente média na carga

    Calculando tensão média

    Porque a tensão média é ? Termo DC da série de Fourier, n=0

    Corrente média

    =2(100)

    𝜋

  • Resolução

    b) Estime a variação de pico-a-pico da corrente de carga baseada no primeiro termo AC da série de Fourier

    Variação pico-a-pico

    Amplitude da senoide da primeira harmônica

    O valor real de pico-a-pico da onda necessita de todos o termos harmônicos, contudo o exercício pede uma aproximação baseada apenas no primeiro termo harmônico.

    2. 𝜋. 60

  • Resolução

    c) Determine a potência absorvida pela carga e o fator de potência do circuito

    n par

  • Resolução

    c) Determine a potência absorvida pela carga e o fator de potência do circuito

    Fonte

  • Resolução

    d) Determine a corrente média dos diodos.

    *Diodos conduzem apenas metade do período

  • Exemplo 4-3: O circuito retificador de onda completa em ponte da figura abaixo possui fonteAC com amplitude de 120 Vrms em 60Hz, R=2 ohm, L= 10mH e Vdc=80V. Determine apotência absorvida pela fonte DC e a potência absorvida pelo resistor da carga.

    Assumindo comportamento em corrente continua (desconsiderando a possibilidade de corrente descontínua)

    Potência absorvida pela fonte DC

    Retificador de onda completa monofásico com carga RLE

  • Exemplo 4-3: O circuito retificador de onda completa em ponte da figura abaixo possui fonteAC com amplitude de 120 Vrms em 60Hz, R=2 ohm, L= 10mH e Vdc=80V. Determine apotência absorvida pela fonte DC e a potência absorvida pelo resistor da carga.

    Primeiros termos da série de Fourier

    Calculando a potência absorvida pelo resistor da carga:

  • Exemplo 4-3: O circuito retificador de onda completa em ponte da figura abaixo possui fonteAC com amplitude de 120 Vrms em 60Hz, R=2 ohm, L= 10mH e Vdc=80V. Determine apotência absorvida pela fonte DC e a potência absorvida pelo resistor da carga.

    Potência absorvida no resistor:

    Solução no Pspiceconfirma a condição

    de correntecontínua

  • Filtro capacitivo de saídaRetificadores de onda completa de uma fase

    Exemplo 4-4

    O retificador de onda completo abaixo possui uma fonte de 120V (rms) em 60Hz, R=50ohm e C=100uF.

    a) Determine a variação de tensão de pico-a-pico na saída.b) Determine o valor da capacitância que reduziria o ripple de tensão para 1% do valor da

    tensão DC.

  • Exemplo 4-4

    O retificador de onda completa abaixo possui uma fonte de 120V (rms) em 60Hz, R=50ohm e C=100uF.

    a) Determine a variação de tensão de pico-a-pico na saída.

    Solução

    Tensão de pico:

  • Exemplo 4-4a) Determine a variação de tensão de pico-a-pico na saída.

    Determinando ângulo 𝜃 e α

    Diodo ON

    Diodo OFF

    Igual ao circuito retificador de meia onda com capacitor:

  • Exemplo 4-4a) Determine a variação de tensão de pico-a-pico na saída.

    Determinando ângulo 𝜃 e α

    O ângulo α só pode ser determinado numericamente pela equação:

    MATLAB SOLVE EQUATION:

    O ripple é determinado pela diferença entre a tensão máxima e a mínima:

  • Exemplo 4-4a) Determine a variação de tensão de pico-a-pico na saída.

  • Exemplo 4-4b) Determine o valor da capacitância que reduziria o ripple de tensão para 1% do valor da tensão DC.

    Logo:

  • Retificadores de onda completa trifásicos

  • Retificadores Trifásicos

    • Normalmente usados na indústria para produzir tensão e correntes DC para cargas muito grandes.

  • Retificadores Trifásicos

  • Retificadores Trifásicos - Modelagem

    • A fontes trifásicas são balanceadas e apresentam a sequência a-b-c.

    • Fontes e diodo são considerados ideais.

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• 1)Pela lei de Kirchhoff nos caminhos do circuito, apenas um diodo na parte de

    cima da ponte pode conduzir em um intervalo de tempo (D1, D3 ou D5).• O diodo que estiver conduzindo terá seu anodo conectado à tensão de maior

    amplitude naquele instante.

    • 2) Pela lei de Kirchhoff, apenas um dos diodos da parte de baixo da pontepode conduzir em cada intervalo de tempo (D4, D5 ou D6).

    • O diodo que estiver conduzindo terá seu catodo conectado à tensão de fasede menor valor naquele instante.

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• D1 e D4 não podem conduzir ao mesmo tempo.• D3 e D6 não podem conduzir ao mesmo tempo.• D5 e D2 não podem conduzir ao mesmo tempo.

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• A tensão de saída na carga será uma das tensões de linha da fonte.

    Vab, Vac, Vbc, Vba, Vca, Vcb (3 fases combinadas duas a duas = 6 possibilidades)

    1 2 3 4 5 6

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• Quando D1 e D2 estiverem ligados, a tensão de saída será Vac.

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• Os diodos ligados são determinados pela tensão de linha que é maior naquele

    instante.

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• Os diodos ligados são determinados pela tensão de linha que é maior naquele

    instante.• Se Vac for a maior tensão de linha naquele instante, então a tensão na carga

    será Vac.

  • Retificadores Trifásicos

    • Observações básicas no circuito:• Considerando um período de 360 graus, a transição entre tensões de linha

    será realizada a cada 360/6 = 60 graus.• Devido às seis transições, este circuito é chamado de RETIFICADOR DE SEIS

    PULSOS.• A frequência fundamental da tensão de saída é 6x a frequência da fonte

    Pi/3 = 60 graus

  • Retificadores Trifásicos

    Pares de diodos queconduzem ao mesmo tempo:

    (6,1)(1,2)(2,3)(3,4)(4,5)(5,6)(6,1)….

  • Retificadores Trifásicos

    Tensão reversa sobre o diodo (em vermelho)

  • Retificadores Trifásicos

    corrente nos diodos

    Corrente média em um diodo

    Corrente RMS em um diodo

    Corrente RMS em uma fonte

    Corrente média na carga

    Corrente RMS na carga

  • Retificadores Trifásicos

    Potência aparente da fonte trifásica

    Tensão instantânea na carga

    Período =

  • Retificadores Trifásicos

    Tensão média na carga (Termo DC da série de Fourier)

    Tensão instantânea na carga expressa como série de Fourier

    Termos AC da série de Fourier

  • Simulação de circuitos trifásicos no PSpice

  • Tensão de pico nas fontes = 311VFrequencia = 60HzFontes defasadas de 120 graus

  • Configuração da simulaçãoStep Ceiling:Aumento na resolução do gráfico

  • Tensão na carga Tensões de fase nas fontes trifásicas

  • Corrente em um diodoCorrente na cargaCorrente em uma fonte

  • Corrente na carga com seu valor de picoCorrente média na carga – AVG(I(R1))Corrente RMS na carga – RMS(I(R1))

  • A corrente rms na carga é aproximadamente igual à corrente média pois os harmônicos são baixos

  • Livro

  • Variações devido ao modelo do diodo

  • Retificadores trifásicos controlados

    𝛼 = 45°

    Substituindo diodos por SCRs

    Tensão média na carga

    Ângulo de disparo ou de atraso (𝜶) Tempo entre o momento em que o SCR se tornadiretamente polarizado e a entrada do pulso de corrente em seu gate.

  • Retificadores de 12 pulsos

    Uso de dois retificadores de 6 pulsos para formar um retificador de 12 pulsos.Vantagens:- Redução de harmônicos- Exige filtros menores

    Pulsos defasados de 30 graus em relação aoprimeiro retificador

    Ondas para 𝛼 = 0

    Defasagem de 30 graus

    Tensão média

  • Exercícios

    Dica: Exemplo 4.12

  • Resoluções

  • Resoluções