Apostila Circuitos Retificadores.doc

8/17/2019 Apostila Circuitos Retificadores.doc

1/47

CIRCUITOS RETIFICADORES

Retificador é um circuito que faz a conexão entre uma fonte CA e uma Carga CC, istoé, converte uma tensão CA em CC. A tensão direta assim obtida não é pura tal qual ade uma bateria, contém componente de ripple alternada (CA), superposta com um n velmédio (CC).

!xistem v"rios tipos poss veis de retificadores, e, de acordo com o tipo, obtém#sediferentes ripples , tensão média e efici$ncia na sa da. %e acordo com a natureza dacarga, influ$ncias significativas podem ocorrer na tensão CA de alimenta&ão.

1 - CIRCUITOS E NOMENCLATURAS's circuitos retificadores dividem#se em dois grandes grupos, os de meia#onda ou um

camin o, e os de onda completa ou em ponte ou dois camin os.'s retificadores de meia#onda são aqueles que possuem um diodo por fase da tensãoCA de alimenta&ão na entrada. odos os diodos são ligados em c"todo ou *nodocomum em um terminal de carga, e o outro terminal da carga ligado ao neutro dotransformador de alimenta&ão. A expressão meia #onda vem do fato de que, em cadafase na entrada, a corrente é unidirecional+ por isso alguns autores preferem adenomina&ãoum caminho .'s retificadores de onda completa correspondem associa&ão de dois retificadores demeia#onda ligados em série. -m deles leva a corrente até a carga, e o outro faz oretorno para a entrada CA, eliminando a necessidade de uma fonte CA com neutro. Aexpressão onda completa provém de que, em cada fase na entrada, a corrente temdois sentidos, com valor médio nulo. %a alguns autores preferirem a denomina&ão

dois caminhos .uanto caracter stica de controle, os retificadores se enquadram em uma dasseguintes categorias/ sem controle, meio controlado ou bridos e totalmentecontrolado.' retificador sem controle contém apenas diodos, fornecendo carga uma tensãomédia fixam que depende da tensão alternada presente na entrada.' retificador totalmente controlado contém apenas tiristores ou então transistores depot$ncia. 0esses retificadores, utilizando#se circuitos de disparo apropriados, o valor médio entregue carga pode ser controlado, desde um valor positivo até um valor negativo. !sse fato caracteriza esses retificadores como conversores bidirecionais ,pois o fluxo de pot$ncia ora vai da entrada para a carga, ora da carga para a entrada.' retificador brido ou meio controlado contém um misto de diodos e tiristores. ' valor

médio na carga é controlado, porém sempre positivo, desde um valor médio m"ximoaté zero. !sse fato caracteriza esses retificadores como conversores unidirecionais ,pois o fluxo de pot$ncia vai sempre da entrada para a carga.1elo n2mero de pulsos caracteriza#se a tensão de sa da de um retificador, econseq3entemente define#se quantas vezes essa tensão de sa da é maior que atensão de entrada. 1or exemplo, retificador de seis pulsos quer dizer que o ripple desa da é seis vezes maior que a freq3$ncia da entrada. Assim, sendo de 45 6z afreq3$ncia fundamental do ripple da sa da.

2 - DIODO DE COMUTAÇÃO

7!0A87ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial 9:


2/47

!m muitos retificadores, em particular os bidirecionais, coloca#se um diodo em paralelocom a carga, ilustrado na ;ig.


3/47

rela&ão ao c"todo), o diodo funciona como um interruptor simples fec ado (curto#circuito), e quando inversamente polarizado, como um interruptor simples aberto(circuito aberto). As formas de onda da ;ig. 9(b) foram constru das considerando#seuma carga puramente resistiva e uma tensão senoidal v s, com valor de pico max daentrada. 0o semiciclo positivo da tensão de entrada, o diodo conduz+ a corrente nacarga ser" i B vsDR. 0o semiciclo negativo o diodo ser" bloqueado, e a corrente nacarga ser" igual a zero. 0essas condi&=es a tensão de entrada ser" aplicadareversamente no diodo. ' valor médio da tensão na carga pode ser determinado apartir da defini&ão do valor médio aplicado forma de onda da tensão na carga.Resulta/

∫ π=θ

=θωθθθπ

0 maxmédio(rad)t=ondedsenV )(1/2=V (


4/47


5/47

c egue a zero. !ntão a corrente na carga é cont nua, ;ig. : ( b )+ se o *ngulo dedisparo for grande (prEximo a


6/47

;ig. F # Retificador controlado bif"sico. ( a ) Circuito. ( b ) ;ormas de onda.

Analisando a forma de onda da tensão na carga, na ;ig. F ( b ), conclui#se que o valor médio da tensão na carga ser"/

απ

=θθπ= ∫ α+π

αcos

V2dsenV)/1(V máxmáxmédio (


7/47

A forma de onda da tensão na carga permite dizer que se trata de um conversor dedois pulsos. As formas de onda das correntes ilustradas na ;ig. 9 ( b ) correspondem condi&ão de corrente cont nua na carga. 0ota#se que o ripple é grande, com valor médio relativamente pequeno. 0o caso de corrente descont nua na carga, indut*nciapequena, aparecerão per odos de tensão igual a zero na carga.

;ig. 4 # Circuito ilustrado 9 conduzindo e < bloqueado.

5 - RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA (OU DE DOIS CAMINHOS)!sse retificador (também con ecido como conexão em ponte) pode ser do tipo semcontrole (@ diodos), brido ou meio controlado (9 diodos e 9 tiristores), ou totalmentecontrolado (@ tiristores). !sta se&ão descreve cada um dos tipos.

5.1 - Se !"#$%"&e0a ;ig. L estão desen ados quatro tipos de circuitos que podem representar esseretificador. A t tulo de estudo e compara&ão com futuros retificadores, a representa&ãomais utilizada é aquela da ;ig. L ( c ), embora se utilize também a da ;ig. L ( d ), poisessas configura&=es permitem estudar outros retificadores por compara&ão. 1or exemplo, associando#se em série dois retificadores de meia#onda, utilizando#se naalimenta&ão uma tomada central 0, equivale ao de onda completa. Assim sendo, aforma de onda da tensão na carga pode ser obtida com uma alimenta&ão senoidal, xe M, ou então considerando uma tomada central e as tens=es < e 9, referenciadas a0. 7em tomada central, quando x é positivo, %< e %9 conduzem, e, quando M épositivo, conduzem %: e %@, resultando as formas de onda da ;ig. L ( e ). Com tomadacentral para < positivo e 9 negativo, %


8/47

;ig. L # Retificador monof"sico em ponte. ( a ) # ( d ) Circuitos representativos. ( e ) ;ormas de onda.

5.2 - T"$'& e#$e C"#$%"&' "' circuito do retificador monof"sico totalmente controlado est" representado na ;ig. H,na qual os diodos foram substitu dos por tiristores. 1ara alimenta&ão da carga, ostiristores < e 9 devem ser acionados simultaneamente quando x é positivo ou quando

< é positivo e 9 negativo e,


9/47

;ig. H # Retificador em ponte totalmente controlado. ( a ) Circuito. ( b ) ;ormas de onda.

;ig. I # erminais de sa das do circuito de disparo

5.3 - H *%+ " ", Se +!"#$%"&' "7!0A87ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial :


10/47

J poss vel o controle de tensão média na carga utilizando#se dois tiristores e doisdiodos, como mostra na ;ig.


11/47

;ig. 7, raiz r$s vezes maior.7endo 8B a corrente média na carga, de acordo com o exposto com anteriormente, acorrente R>7 nos diodos ser"/

3II LRMS = (


12/47


13/47

refletida para prim"rio se?a alternada, como mostram as formas de onda da ;ig.


14/47

;ig.


15/47

;ig.


16/47

provavelmente ?" se encontra em condu&ão, porém é mais um refor&o para garantir asua condu&ão, e, dessa forma aumentar a confiabilidade do circuito.

;ig.


17/47

;ig.


18/47

;ig.


19/47

OPERAÇÃO DOS CON/ERSORES

A palavra retificação implica a conversão de energia de uma fonte CA paraalimenta&ão de uma carga CC. 0a pr"tica, sob determinadas condi&=es, a pot$nciapode inverter seu fluxo, indo da carga CC para a fonte CA. 0essas condi&=es se dizque o retificador opera no modo inversor . 1ortanto a palavra conversor é usada para serefetir a um retificador , quando o fluxo de pot$ncia vai da fonte CA para a carga CC, oua um invesor , quando esse fluxo se inverte.

1 - COMUTAÇÃO0o cap tulo anterior, foi considerada instant*nea a passagem da corrente de um diodo(ou tiristor) para o outro. 0a pr"tica, existe a imped*ncia da fonte CA, que corresponde

associa&ão em série de um indutor e um resistor, impondo que essa passagem se?afeita durante um intervalo de tempo bem determinado, definido como tempo decomuta&ão. !sse tempo é o tempo que a corrente demora para sair de zero até atingir a corrente de regime no diodo que vai entrar em condu&ão, ou o tempo que a correntedemora para ir do regime até c egar a zero no diodo a ser bloqueado.' elemento predominante na fonte CA de alimenta&ão é o indutor, a parte resistiva édesprez vel. %essa forma, na comuta&ão dos diodos, a troca de corrente sofrer" umatraso devido presen&a dessa indut*ncia, que na pr"tica recebe o nome de reatânciade comutação . ' equivalente a Pvenin da fonte CA correspondente a uma fonteideal de tensão em série com um indutor ideal, em cada fase de alimenta&ão.1ara expor o fenOmeno da comuta&ão, considere o circuito retificador da ;ig. < ( a ),que representa um retificador trif"sico de meia#onda, alimentado por um transformador

cu?o secund"rio est" ligado em estrela, e cada fonte foi substitu da pelo equivalente dePvenin correspondente. As formas de onda estão desen adas na ;ig. < ( b ), onde γ é o tempo de comuta&ão devido reat*ncia de comuta&ão B da fonte CA. 'bserve quedurante a comuta&ão, dois diodos consecutivos conduzem simultaneamente. %evido asua caracter stica, γ é também c amado ângulo de comutação , e durante a comuta&ãoa entrada Qenxerga um curto#circuito entre fases, sendo que 9B limita a correntenessas condi&=es, e na carga a corrente não é alternada, pois corresponde somadas correntes nos dois diodos em comuta&ão. uanto maior for o tempo de dura&ão dacomuta&ão, menor ser" a tensão média na carga. A comuta&ão termina quando a corrente no diodo que vai entrar atinge o n vel dacorrente na carga. 1ara equacionar essa situa&ão, considere % < e %9 em comuta&ão+ ocircuito equivalente é o da ;ig. 9. 8gnorando a queda direta dos diodos, e aplicando asegunda lei de Sircc off na 2nica mal a o circuito, resulta/

dtdiLdtdiL12 += ν− ν (


20/47

L2V3 máxω

= , pois para t 5 → i 5. ;inalmente resulta/

)tcos1(L2

V3i máx ω−

ω= (


21/47

COMUTAÇÃO EM CORRENTE CONT0NUA

0os cap tulos anteriores, onde os dispositivos retificados estão conectados a fonte CAos mesmos desligam quando a corrente naturalmente atinge o n vel zero do ciclosenoidal. >uitas outras aplica&=es são encontradas com dispositivos ligados a fontesde corrente cont nua (CC). 0o caso faz#se o desligamento dos dispositivos conectadosa fontes CC reduzindo a corrente a zero eDou aplicando uma voltagem reversa por umtempo suficiente para inibir a recupera&ão do dispositivo no estado de bloqueio. 'tiristor é um dispositivo em que, particularmente, meios externos são empregados parabloque"#lo durante a condu&ão de corrente.

ransistores de pot$ncia podem ser bloqueados pela simples redu&ão da corrente debase, sem a necessidade de nen um dispositivo ou circuito externo. uando a carga éindutiva, porém, a energia magnética durante o c aveamento ser" dissipada notransistor, resultando dessa maneira um sobreaquecimento do componente, o que éuma desvantagem. A ;ig. < nos mostra que um diodo pode ser usado para desviar acorrente de carga quando o transistor bloqueia, evitando assim o problemaanteriormente citado. !sse diodo é chamado diodo de retorno (freewheeling) ou diodode comutação .

;ig. < # Controle a transistor

Agora veremos v"rios circuitos de bloqueio, os quais utilizam o princ pio de carga edescarga capacitivo eDou princ pio da oscila&ão por resson*ncia entre capacitores eindutores.1ara o bloqueio do tiristor, um capacitor carregado é colocado sobre ele através dec ave 7, e a tensão reversa ir" extinguir o fluxo de corrente. As formas de onda ;ig. 9representam a corrente e a tensão sobre o tiristor, com o capacitor carregadoinicialmente com o n vel de bateria !. Com um simples arran?o, o capacitor poder" ser carregado para manter a tensão a reversa requerida, e no tempo de bloqueionecess"rio.1ara converter o circuito da ;ig. 9 em algo pr"tico, substituiremos a c ave mec*nica 7por um subsistema eletrOnico, o que restaura a carga do capacitor C a cada seq3$nciade c aveamento. al circuito é apresentado na ;ig. :, sendo con ecido como circuitode chaveamento em CC (cirucitochopper ).1ara compreendermos a maneira pela qual o circuito da ;ig. : ( a ) funciona, o mel or modo é observarmos toda a seq3$ncia de c aveamento. Assumindo os tiristores comosendo idéias e os componentes, sem perdas, c amaremos < de tiristor principal e 9,de tiristor auxiliar, o qual c avear" o capacitor sobre < para bloque"#lo. ' indutor B é

7!0A87ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial @:


22/47

necess"rio para proporcionar a inversão de polaridade no capacitor antes doc aveamento sobre


23/47

;ig. : # -m circuito chopper que emprega comuta&ão por capacitor em paralelo. ( a ) Circuito de refer$ncia. ( b ) ;ormas de onda.

7!0A87ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial @F


24/47

;ig. @ # Condi&=es equivalentes para o circuito da ;ig. : ( a ) uanto 9 é inicialmentedisparado. ( b ) uanto < é inicialmente disparado.

' circuito da ;ig. F dispensa o uso do indutor. ' princ pio é que o disparo do titistor <conectado carga R< abilite o carregamento do capacitor C, via resistor R9.%isparando 9, a tensão do capacitor C sobre < o bloqueia. Com o disparo de 9, acorrente flui por R9, e o capacitor se carrega com polaridade inversa, via R


25/47

superiores da bateria. -ma desvantagem é que o disparo involunt"rio dos tiristores 9e : simultaneamente causa um curto#circuito sobre a bateria.7e a carga for indutiva, então é necess"rio um diodo de comuta&ão (freeV eeling)sobre a carga, como é mostrado na ;ig. 4, para desviar a corrente de carga do tiristor durante o c aveamento.0a escol a de um circuito para uma determinada aplica&ão, deve#se levar em conta otipo d carga, a rela&ão de c aveamento, o taman o dos componentes, as perdas e ocusto.

;ig. L # ;ormas de onda quando o circuito BC em série é conectado bateria.

1 - COMUTAÇÃO POR OUTRO TIRISTOR DE CONDUÇÃO DE CAR A"rios circuitos, particularmente aqueles empregados em inversores (geradores de CA

a partir de fontes CC), usam uma técnica de comuta&ão de transferir a corrente decarga do tiristor principal (ocasionando seu bloqueio) para um outro tiristor ou diodo deprodu&ão.-m circuito simples, que transfere corrente igualmente para as duas cargas, é ilustradocom formas de onda apropriadas na ;ig. H.

uando o tiristor < é disparado, uma das cargas é conectada bateria, e ao mesmotempo o capacitor C é carregado através de outra carga. uando o tiristor 9 édisparado, o capacitor carregado é colocado sobre o tiristor


26/47

;ig. H # Comuta&ão entre duas cargas iguais. ( a ) Circuito. ( b ) ;ormas de onda.

7!0A8@H 7ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial


27/47

;ig. I # Conversão da ;ig.


28/47

;ig.


29/47

;ig.


30/47

CON/ERSOR CC-CC (CHOPPER)

Abaixador de tensão

(a)

(b)

;ig. < W Conversor abaixador de tensão. ( a ) %iagrama esquem"tico. ( b ) ;ormas de onda ideais.

ipos de controle do valor médio da tensão de sa da/< W ariando ton e mantendo o per odo constante, também c amado de modula&ão

por largura de pulso (1X>)+

9 W >antendo ton ou toff constante e variando o per odo , ou se?a, modula&ão emfreq3$ncia+: W ariando tanto ton quanto toff .

Elevador de tensão

;ig. 9 W%iagrama esquem"tico do conversor elevador de tensão.

on0ina t$I$V, = ( ) o%% 0in0% t$I$VV, −= (


31/47

Quadrantes de operação

;ig. : W uadrantes de opera&ão.

;ig. @ W Conversor para opera&ão no primeiro quadrante.

A figura acima mostra um c opper capaz de operar somente no


32/47

' Circuito acima possibilita a opera&ão no


33/47

CON/ERSÃO DE FRE NCIA

1 - IN/ERSOR MONOFÁSICO EM PONTE-m circuito inversor monof"sico em ponte sem os elementos de comuta&ão é mostradona ;ig. < ( a ). imos, na se&ão de Comuta&ão em Corrente Cont nua, o bloqueio dotiristor < é iniciado pelo tiristor @complementar. 7e no caso existir uma carga indutiva,como a corrente não pode ser invertida imediatamente, existir" uma comuta&ão, e otiristor @ cessar" a condu&ão, com a corrente de carga sendo agora transferida para odiodo %@. ipicamente, o per odo de comuta&ão é muito curto em rela&ão ao per odo defreq3$ncia de carga do inversor, e nesta se&ão a comuta&ão é assumida como ideal edesprezada nas formas de onda das ;ig. < ( b ) e < ( c ).7e a carga da ;ig. < ( a ) for uma resist$ncia pura, então os disparos alternados de


34/47

;ig. < # 8nversor em ponte monof"sico. ( a ) Circuito.( b ) 7a da em onda quadrada. ( c ) 7a da em onda uase uadrada .

7!0A8F4 7ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial


35/47

;ig. 9 # 7a da combinada dos inversores defasados formando uma onda uase uadrada!'utra forma de controle de tensão é por recorte, como mostra a forma de onda da ;ig.:, onde os tiristores do circuito inversor são ligados e bloqueados de tal maneira queproduzem zeros de igual largura e com a parte de tensão de alimenta&ão fixa de valor !.

;ig. : # 8nversor controlado para fornecer uma forma de onda recortada.

-ma mel ora na forma de onda recortada pode ser obtida variando#se a rela&ão entreos per odos ligado e desligado, como mostra a ;ig. @. !ssa forma de controle écon ecida como modula&ão por largura de pulso (1X>), e pode#se observar quepossui armOnicas de ordem muito menor que outras formas de onda.

;ig. @ # 8nversor controlado para fornecer uma fonte de onda modulada por largura de pulsos (1X>)

1ara determinar os pontos de disparo necess"rios para sintetizar corretamente amodula&ão por largura de pulso, um método pode ser usado tomando#se uma senEidede refer$ncia e, através do circuito de controle, comparar essa senEide com forma deonda triangular como mostra a ;ig. F. ' ponto de cruzamento determina o disparo dostiristores. A ;ig. F ( a ) mostra uma sa da m"xima, a ;ig. F ( b ) mostra uma sa da comtensão reduzida, bastando reduzir também a tensão senoidal de refer$ncia. ' circuitoda ;ig. F ( c ) mostra como uma redu&ão na freq3$ncia da senEide de refer$nciaaumenta o n2mero de pulsos em cada meio ciclo.

A ?ustificativa do uso de uma onda triangular pode ser acompan ada com a ;ig. 4.

7!0A87ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial FL


36/47

;ig. F # ;orma&ão de uma onda 1X>. ( a ) !m tensão de sa da m"xima.( b ) !m tensão de sa da reduzida. ( c ) !m metade da tensão e metade da freq3$ncia.

7!0A8FH 7ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial


37/47

;ig. 4 # Zustificativa sobre o uso de onda triangular na gera&ão 1X>' cruzamento da forma de onda triangular com a senEide de refer$ncia produz umpulso de largura b. Reduzindo a senEide de refer$ncia pela metade de uma altura,teremos um pulso com largura c . A largura ser" a metade de b e a altura do pulso ser" inalterada, portanto a "rea dopulso ser" dividida com a correspondente redu&ão na altura da senEide de refer$ncia. Argumentos similares são apresentados a duas se&=es quando aumentamos a alturada senEide de refer$ncia, e correspondente a largura do pulso resultante para a!-m n2mero elevado de pulsos em um ciclo pode aumentar o n2mero de armOnicas deordem superior, as quais são muito mais simples para filtrar que as armOnicas deordem inferior+ além disso uma carga indutiva atenua radicalmente essas armOnicas.Como alternativa de controle 1X> (modula&ão por largura de pulso), o inversor da ;ig.< pode faz$#lo, bastando seq3enciar as disparos de < e 9 (como um par) e dostiristores : e @ (como outro par), evitando assim os per odos de zero. %essa maneiraa forma de onda 1X> é gerada (;ig. L) aparecendo pequenos pulsos reversosdurante meio ciclo de sa da. 1ara determinar os instantes de disparo dos tiristores,uma onda triangular de alta freq3$ncia é modulada por uma senEide de refer$ncia sempatamares de zero, como na ;ig. F.-m elevado n2mero de comuta&=es ocorrem em cada ciclo devido ao recorte emodula&ão por largura de pulso da forma de onda, resultando em uma elavada perdanos tiristores do inversor. 0uma escol a entre os inversores como forma de onda

uase uadrada e 1X>, deveremos considerar perdas de c aveamento em cada um,armOnicas de baixa ordem e custo adicional de controle de um circuito em rela&ão ao

outro.-m método que reduz a excessiva perda de comuta&ão existente na forma de onda desa da, reduzindo ainda armOnicas de baixa ordem, é mostrado na ;ig. H. 1elainversão da tensão de sa da por um curto intervalo de tempo em cada meio ciclo emdeterminados *ngulos é poss vel eliminar duas componentes armOnicas, isto é, aterceira e a quinta. Com uma fonte fixa é poss vel controlar o n vel de sa da pelacombina&ão de duas formas de onda, como as da ;ig. H, pelo princ pio da diferen&a defase demonstrado na ;ig. 9.

;ig. L # >odula&ão 1X>

7!0A87ervi&o 0acional de Aprendizagem 8ndustrial FI


38/47

;ig. H # Redu&ão de armOnicas de baixa ordem

2 - IN/ERSOR TRIFÁSICO EM PONTE' circuito b"sico de um inversor trif"sico em ponte é o da ;ig. I.

;ig. I # 8nversor trif"sico em ponte

7imilarmente a uma fonte retificada trif"sica, o inversor pode ser controlado de talmaneira que os tiristores conduzem


39/47

conectada ao positivo da fonte CC mas enquanto a corrente de carga não atingir t


40/47

negativo da fonte CC. omando#se, por exemplo, o ramo da fase A, com os dispositivosnumerados de < a @ na ;ig. I, se i a é positivo, o tiristor < est" conduzindo+ quandoentão o tiristor @ é disparado, < é bloqueado, e a corrente de carga é transferida parao diodo %@. 7e, por outro lado, ia negativa, o diodo %, entrar" em condu&ão+ quanto otiristor @ for disparado fazendo a corrente de carga tomar lugar imediatamente+ nessascondi&=es, o tiristor < não necessita ser bloqueado.Com refer$ncia ;ig.


41/47

;ig.


42/47

;ig. para um inversor trif"sico

3 - IN/ERSOR COM FONTE DE CORRENTE CONSTANTE0as se&=es anteriores, os inversores foram descritos como sendo alimentados por umafonte de tensão constante, e a carga, por uma tensão com forma de onda em degraus.' inversor corrente constante, como o prEprio nome sugere, é alimentado por umafonte CC com corrente constante, independente dos eventos que possam aparecer noinversor. 0a pr"tica, um inversor com corrente constante é alimentado por uma bateriaCC com uma alta indut*ncia em série, como mostra a ;ig.


43/47

;ig.


44/47

;ig.


45/47

;ig.


46/47

;ig.


47/47

Documents

Apostila Circuitos Retificadores.doc