ELETRÔNICA ANALÓGICA

CEL099

Prof. Pedro S. Almeida

pedro.almeida@ufjf.edu.br

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Circuitos de Aplicação de Diodos

Conteúdo

• Circuitos Retificadores

• Retificador de Meia-Onda

• Retificador de Onda-Completa a Dois Diodos

• Retificador de Onda-Completa em Ponte

• O Retificador com Filtro Capacitivo

• Circuitos Limitadores

• Circuitos Grampeadores

• Circuitos Multiplicadores de Tensão

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Circuitos Retificadores • Uma das mais importantes aplicações dos diodos.

• Usados para converter uma tensão CA (50 ou 60 Hz) em CC não regulada.

• Em conjunto com outros elementos e circuitos básicos pode constituir uma fonte de alimentação CC linear (dc linear power supply):

4

O Retificador de Meia-Onda

5

• Se vS > VD0, D conduz e i0 = vS – VD0/(rD+R). Se vS < VD0, i0=v0=0. • Logo, v0= [R/(R+rD)]vS – [R/(R+rD)]VD0 (quando D conduz). • Se rD << R0, então v0 ≈ vS – VD0.

i0

Retificador de Meia-Onda

• O diodo costuma ser especificado em função de quanto precisa suportar em termos de corrente média e tensão inversa de pico (PIV, do inglês, peak inverse voltage). Também é preciso avaliar a máxima corrente pulsante, máxima tensão pulsante e máxima potência.

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(média)

Sendo

=sen

00

0

1

0

sen( ) sen( )1 1( ) ( )

2 2

sen( ) 2

( / )

s D s s

S s

D s

V t V V t Vi d t d t

R R R

v V t e f

V V

PIV = Vs (tensão de pico do sinal alternado).

vD

D ON D OFF D ON D OFF t

VS

O Retificador de Onda Completa a Dois Diodos

• O Circuito também é conhecido como retificador em antifase, devido ao posicionamento dos pontos em relação à derivação central, no secundário do transformador.

• Cada diodo conduz durante um dos semiciclos da rede elétrica, conforme seja a tensão positiva de seu secundário.

7

Retificador a Dois Diodos

8

(média)

Sendo

=sen

00

0

1

0

sen( ) sen( ) 21 1( ) ( )

sen( ) 2

( / )

s D s s

S s

D s

V t V V t Vi d t d t

R R R

v V t e f

V V

PIV = 2Vs (dobro da tensão do sinal alternado).

O Retificador em Ponte • Variação do retificador de onda completa que emprega quatro diodos.

• Também conhecido como retificador em ponte de Gräetz (devido a Leo Gräetz, físico alemão, 1856 - 1941).

• A PIV dos diodos é igual a Vs.

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Ciclo positivo de vs. Ciclo negativo de vs.

2 diodos conduzem por semiciclo = maior queda PIV = Vs (tensão de pico do sinal alternado).

D1 D3 D1

D2 D4 D2

+

Vo

-

+

vs

- D2 D4

D3 D1

Representação alternativa:

O Retificador de Meia-Onda com Capacitor de Filtro

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Funcionamento sem Carga (R=∞):

D | D

ON OFF

Funciona como um detector de pico (ex. detecção de AM)

Retificador com Filtro (cont.)

11

Operando com Carga:

FUNCIONAMENTO: O Capacitor se carrega

próximo ao pico da rede e impede a

condução do diodo durante o tempo em

que transfere energia à carga.

Fig. 3.29

Retificador com Filtro (cont.)

12

Equacionamento “rigoroso”:

Para

Para " " D se bloqueia.

Logo:

(descarga exponencial)

0

0( ) :

cos( )

0

L

I

D C L

IC p

C R

vi

Rv v D ON

i i i

dvi C C V t

dti

i i

Equacionamento simplificado:

1 1

1

1

:

.

sen( ) sen( )

/ 2

/ 2

rL r

Lr

p p r p p r

C VI C V f

TI

Vf C

V V t V V t V V

t t

t t

Com a abordagem linear se pode escrever:

. Logo

Sabe-se, contudo, que:

, ou seja,

Mas, da Fig. 3.29, , de modo que:

Assim, usan

1 2

2

cos( )

cos( ) 1 ( )

2 / 0)

p p r

r p

V t V V

t t

t V V t

do uma identidade trigonométrica:

Mas, da Série de Taylor,

Assim:

(admitindo

Com

Sabe-se que

1

2

0L L

0 p r

0C

Vi I

R

V V V

dvi C

dt

Vp

Vr

t

T

t → 0

v0

vI

Eq. 3.29

Obs.: VO = vo,med

Cálculo equivocado do Sedra!

Exemplo 3.9

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Cálculo da Corrente Média no Diodo:

A corrente em D existe durante t e vale:

Mas , cujo pico é:

I

IÉ possível dizer que

1

,

cos( )

cos( ) cos( )2

( ).

2

D C L

C p

cp p p

p

cp

D med L

i i i

i V C t

V C t V C t

V C sen t

i I

Usando a expressão de I e as expressões

do Sedra é possível obter:

,

.

11 . (*)

2

cp

rD med L

p

t

T

Vi I

V

(*) Neste cálculo, se empregou sen(t)=t, Visto que t é, usualmente, pequeno.

Refazendo o cálculo, encontra-se iD,med = 10,3mA, o que coincide com simulações.

Demonstre!

Retificador com Filtro - Onda Completa

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Neste caso, as exigências de filtragem capacitiva são reduzidas à metade, em comparação com o retificador de meia-onda. Ou seja:

2

p

r

VC

f V R

| T/2 |

Circuitos Limitadores

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Aplicações: • Processamento de Sinais. • Proteção de entrada de

amplificadores operacionais. • Proteção de circuitos sensíveis

à excesso de tensão.

16

Exem

plo

s d

e

Cir

cuit

os

Lim

itad

ore

s

Exercício 3.27 • Descreva a característica de transferência do

circuito abaixo, admitindo diodos ideais.

• Solução:

• Admite-se inicialmente que nenhum diodo conduz e R0 >> 10kW. Neste caso, v0 = vI.

• Se, por outro lado, vI > 5V percebe-se que D2 conduz. Mas, se vI < -5V, quem conduz é D1.

• Para vI >5V (D2 ON), tem-se v0 = 5 + ½ (vI -5) = ½ vI + 2,5V.

• Para vI < – 5V (D1 ON), tem-se v0 = – 5 + ½ (vI + 5) = ½ vI – 2,5V.

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10 kW

_

5V +

10 kW

+

vI

_

+

v0

_

+5 V_

10 kW

D1 D2

Circ. equivalente D2 ON:

Obs.: Supõe-se que a carga ligada na saída tenha impedância >> 10 kW.

10 kW

+

vI

_

+

v0

_

+ 5 V _ + vR =10k (vI -5)/20k _

D2

v0

+7,5V

+5V

-10V -5V +5V +10V vI -5V -7,5V

Característica de Transferência.

Circuitos Grampeadores (Restaurador de CC)

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Multiplicadores de Tensão

19

Outros Multiplicadores de Tensão

20

• Dobrador, Triplicador, Quadruplicador:

Vp 2Vp

2Vp 2Vp

• Circuito Cockroft-Walton (até 8x a tensão de pico de entrada):

8Vp

Sugestão: Simule estes circuitos (PSIM ou Multisim) ou monte em laboratório, com tensões de entrada de 5Vp, 1kHz.

Obs.: Lembrar que há quedas nos diodos reais.

21

Simulações – PSIM

Simulações – PSIM

22

Simulações – PSIM

23

Projeto eletrônico – fonte linear

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• Mathcad

• Mathematica

• MATLAB & Simulink

• PSIM

• PSPICE

• Especificações:

• Entrada: 127 V (RMS), 60 Hz

• Saída: 15 VDC, regulada; 200 mA máx.

• Barramento: máx. 10% ondulação

• Trafo: 127-15+15 V (RMS), 250 mA (c/ tap central)

• Especificar os diodos, o capacitor de filtragem e o regulador

shunt (diodo zener + resistor)

Calcular corrente RMS/média, ondulação de tensão, tensão de

bloqueio máxima e potência dissipada em cada componente para

fins de dimensionamento.

Compilar em relatório: especificações, esquemático, memorial de

cálculo, resultados de cálculo e simulação e um Bill of Materials

(BOM) com valores comerciais para os elementos calculados.

Resultados experimentais/simulação relevantes em gráficos.

Projeto eletrônico – fonte linear

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TRAFO C/ TAP CENTRAL RETIFICADOR

BARRAMENTO

REGULADOR SHUNT

FILTRO DE SAÍDA +

CARGA

Projeto eletrônico – fonte linear

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• Exemplo de um esquemático detalhado:

Projeto eletrônico – fonte linear

27

• Exemplo de um esquemático detalhado:

Projeto eletrônico – fonte linear

28

• Exemplo de um Bill of Materials (BOM)

Descrição física/paramétrica do componente & outros detalhes relevantes

(tensão, corrente, tolerância, formato, temperatura, encapsulamento, etc.)

Valor do componente (capacitância, indutância, tensão, corrente, potência, etc.)

Quantidade de componentes (de mesma especificação)

Designador do componente no esquemático

Encapsulamento (dimensões / código)

Nome de acordo com o

fabricante (“part number”)

Projeto eletrônico – fonte linear

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• Exemplo de curvas e resultados relevantes:

Tabela de dados de entrada e saída

Projeto eletrônico – fonte linear

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• Exemplo de curvas e resultados relevantes:

Eficiência vs. carga

Projeto eletrônico – fonte linear

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• Exemplo de formas de onda relevantes:

Ondulação de

barramento ou saída

Projeto eletrônico – fonte linear

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• Exemplo de figuras relevantes:

Foto de placa (top/bottom)