Circuitos retificadores

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Trabalho para UC de Eletrónica de Potência
Paulo Lima
IPCA, 2013

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Circuitos retificadores

  1. 1. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave Escola Superior de Tecnologia Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Circuitos retificadores Paulo Lima Junho de 2013
  2. 2. ii Resumo O trabalho baseou-se na montagem de vários circuitos de retificação (meia onda, onda completa e ponte retificadora), em que a alimentação é proveniente de um transformador toroidal. Este foi responsável por alimentar os diferentes componentes do circuito conforme as tensões necessárias. Para a medição das correntes em jogo na carga, foi utilizado um sensor de efeito de Hall. Este sensor foi alimentado através de um conversor DC-DC, responsável por fornecer isolamento galvânico ao circuito de medição. Ao longo do trabalho foram utilizados vários conhecimentos e técnicas, nomeadamente, a ligação dos conversores DC-DC, os métodos de retificação da tensão para a carga, e a análise das diferentes formas de onda na carga. Foi igualmente objeto de estudo o comportamento do transformador toroidal, bem como as suas vantagens, focando-se o seu comportamento em vazio. Para a realização deste trabalho, foi necessário dedicar uma percentagem de tempo à montagem dos circuitos, solda de componentes, planeamento da placa e muitas horas de testes em laboratório para recolher informações. Palavras-Chave (Tema): Circuitos retificadores, Retificação de meia onda, Retificação de onda completa, Ponte retificadora. Palavras-Chave (Tecnologias): Transformador toroidal, Sensor de efeito de Hall, Conversor DC-DC. “Não se conhece completamente uma ciência enquanto não se conhecer da sua história.” Auguste Comte
  3. 3. iii Índice Resumo.......................................................................................................................................... ii Índice............................................................................................................................................ iii 1 Introdução ............................................................................................................................ 1 1.1 Transformador toroidal................................................................................................. 1 1.2 Sensor de efeito de Hall ................................................................................................ 2 1.3 Conversor DC-DC........................................................................................................... 3 1.4 Retificação de meia onda.............................................................................................. 3 1.5 Retificação de onda completa....................................................................................... 4 1.6 Ponte retificadora ......................................................................................................... 4 2 Descrição Técnica ................................................................................................................. 5 2.1 Material utilizado .......................................................................................................... 5 2.2 Esquema elétrico da placa ............................................................................................ 5 2.3 Ligações do transformador ........................................................................................... 6 2.4 Montagem final............................................................................................................. 6 3 Testes e Resultados.............................................................................................................. 8 3.1 Tensões de referência do sensor de Hall ...................................................................... 8 3.2 Retificação de meia onda com carga R ......................................................................... 9 3.3 Retificação de onda completa com carga R, RL e RC .................................................. 10 3.4 Ponte retificadora com carga R, RL e RC..................................................................... 11 4 Conclusões.......................................................................................................................... 13 5 Referências Bibliográficas................................................................................................... 14
  4. 4. 1 1 Introdução Na elaboração do trabalho prático foram utilizados diversos componentes, que serão descritos em seguida. Os componentes foram associados de modo a formar numa primeira fase um circuito, e posteriormente foram substituídos de modo a se poder verificar os diferentes comportamentos do circuito conforme o tipo de carga e tipo de retificação utilizada. 1.1 Transformador toroidal Este tipo de transformador apresenta os mesmos princípios de funcionamento dos transformadores comuns, sendo que a palavra toroidal refere-se à forma geométrica como do núcleo, que é redonda e se assemelha a um anel. O núcleo do transformador pode ser constituído por diversos materiais magnéticos, desde uma fita muito fina de aço silício com grão orientado até materiais provenientes da nanotecnologia. O transformador toroidal apresenta uma série de características que o torna superior relativamente aos transformadores comuns: Provoca baixa irradiação do campo magnético em redor do transformador, o que não afeta circuitos eletrónicos sensíveis, quer analógicos ou digitais. As perdas são reduzidas, o que permite baixar o consumo da corrente em vazio. Apresenta uma menor variação de tensão na saída de potência. A diferença entre a tensão de saída com carga e sem carga é inferior à de um transformador convencional. Os transformadores toroidais são regra geral entre 40 a 60% menores e mais leves que os transformadores convencionais. Apresentam um funcionamento silencioso, uma vez que o ruído mecânico da vibração do núcleo praticamente não existe. Uma das principais vantagens deste transformador provém do núcleo não possuir GAP (aberturas no núcleo). Na maioria das aplicações, os GAP são buracos para o fluxo magnético (linhas de campo), o que aumenta sensivelmente as perdas. Como no transformador toroidal, o núcleo é homogéneo e sem cortes, apresenta uma
  5. 5. Introdução 2 geometria tal que o torna mais eficiente. Ainda como vantagem de operação, apresenta a capacidade de funcionamento em ótimas condições em locais com temperaturas ambientes até 50˚C e em alguns casos mesmo superiores. Figura 1 – Transformador toroidal. 1.2 Sensor de efeito de Hall O transdutor de corrente por efeito de Hall permite medir as formas de onda da corrente nas cargas do circuito através dos princípios de efeito de Hall. O efeito de Hall carateriza-se pelo aparecimento de um campo elétrico transversal, quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica e este se encontra envolvido num campo magnético. Figura 2 – Sensor de efeito de Hall.
  6. 6. Introdução 3 1.3 Conversor DC-DC O conversor DC-DC é um conversor que mantém uma tensão de 15V contínuos estáveis na saída podendo ser alimentado com uma gama de tensões continuas na entrada que pode variar entre 9 e 36V. Esta função é vantajosa, pois permite alimentar um componente a 15V a partir de outra tensão inferior ou superior desde que esteja enquadrada na gama de valores do conversor. O papel predominante do conversor DC-DC será alimentar o sensor de efeito de Hall, que poderia ser alimentado diretamente com 15V através de uma fonte de alimentação, no entanto, o conversor é utilizado para fornecer isolamento galvânico entre a alimentação o circuito a ser medido posteriormente. Desta forma quando se proceder às medições da forma de onda da corrente no sensor de Hall, não nos teremos de preocupar com a influência do circuito de alimentação no circuito de medição. Figura 3 – Conversor DC-DC. 1.4 Retificação de meia onda Na retificação de meia onda, o díodo não vai conduzir nos semiciclos negativos, apenas conduzindo nos semiciclos positivos do sinal de entrada. Figura 4 – Princípio da retificação de meia onda.
  7. 7. Introdução 4 1.5 Retificação de onda completa Na retificação de onda completa, os dois díodos vão fazer a retificação simultaneamente. Assim ao retificar a onda de entrada ambos os semiciclos (positivo e negativo) são aproveitados, uma vez que os díodos estão ativos alternadamente. Figura 5 – Princípio da retificação de onda completa. 1.6 Ponte retificadora As pontes retificadoras usam os semiciclos tanto positivos como negativos da forma de onda de entrada. Relativamente à forma de onda da tensão de saída, 1,4V são perdidos nas quedas de tensão dos díodos (que estão permanentemente dois em condução). Uma grande vantagem na utilização de pontes retificadoras é que não importa o cuidado a ter com a ligação da entrada relativamente á polaridade, uma vez que a ponte garante sempre que a polaridade é assegurada. Figura 6 – Circuito com ponte retificadora.
  8. 8. 5 2 Descrição Técnica 2.1 Material utilizado O material utilizado foi cedido pela instituição e as fontes de alimentação bem como os osciloscópios pertencem aos laboratórios onde o trabalho prático foi realizado. Tabela 1 – Lista de material utilizado. 2.2 Esquema elétrico da placa Foi efetuado previamente um esquema elétrico para implementar na Breadboard, antes de os componentes serem soldados e ligados, como exemplifica a figura seguinte. Figura 7 – Esquema elétrico da montagem.
  9. 9. Descrição Técnica 6 O conversor DC-DC pode ser alimentado com uma tensão entre 9 e 36V, que a sua saída estará sempre estável nos 15V, garantindo o isolamento galvânico no circuito de medição, uma vez que a tensão de entrada encontra-se isolada da tensão de saída. Existe um díodo que protege a entrada do conversor DC-DC contra inversões de polaridade entre os pinos 1 e 2. A saída de 15V do conversor ocorre pelos pinos 6 e 7 que vai alimentar o sensor de efeito de Hall através dos seus pinos 1 e 2. O sensor de efeito de Hall irá receber a corrente das cargas a medir através dos pinos 5 e 6, sendo que a medição dos sinais pelo osciloscópio será efetuada através dos pinos 3 e 4. 2.3 Ligações do transformador Igualmente foi feito um esquema elétrico para as ligações a efetuar no transformador, quer a nível do primário quer do secundário, de modo a ser alimentado com uma tensão de 230V AC e produzir na saída 30V AC. Figura 8 – Esquema de ligações do transformador. 2.4 Montagem final A base da montagem utilizada ao longo do trabalho foi preparada no laboratório, soldando para esse efeito os componentes numa Breadboard para se ficar com uma base estrutural que fosse possível manter ao longo de todo o processo, bastando ligar as cargas que se pretendessem testar. A imagem final da placa após montagem e soldagem dos componentes é apresentada na figura seguinte.
  10. 10. Descrição Técnica 7 Figura 9 – Placa desenvolvida no laboratório. Como é possível observar, analogamente ao esquema elétrico foram deixados fios elétricos nos pinos onde se vão efetuar ligações de alimentação (pinos 1 e 2 do conversor DC-DC), ligações de cargas (pinos 5 e 6 do sensor de efeito de Hall) e medições (pinos 3 e 4 do sensor de efeito de Hall).
  11. 11. 8 3 Testes e Resultados 3.1 Tensões de referência do sensor de Hall Inicialmente, foram observados os valores das tensões de referência do sensor de Hall em vazio. Para tal, fez-se atravessar uma corrente pelo sensor de Hall através da fonte de alimentação do laboratório, numa primeira fase com sentido positivo, e depois com sentido negativo. Isto permitiu registar os valores de referência para o sensor de Hall com a variação do fluxo de corrente, como demonstra a próxima tabela. Tabela 2 – Valores de referência do sensor de Hall. Os valores de referência obtidos na saída do sensor são diretamente proporcionais à corrente que atravessa o sensor. Para futuros cálculos envolvendo o sensor de efeito de Hall devem ser considerados os valores máximos e mínimos assinalados a negrito na tabela, ou seja, o sensor terá uma variação entre 1,82 e 3,16V.
  12. 12. Testes e Resultados 9 3.2 Retificação de meia onda com carga R O objetivo é registar as formas de onda de entrada e comparar com as formas de onda de saída após sofrer a retificação de meia onda. Simultaneamente pretende-se observar as formas de onda da corrente na carga. Para este caso, a carga será uma resistência de 10Ω. Previamente realizou-se a simulação em Multisim para se observar potenciais resultados esperados. Figura 10 – Simulação do circuito no Multisim. Figura 11 – Formas de onda da tensão retificada (esquerda) e corrente (direita). Os resultados obtidos demonstram a retificação de meia onda, que é obtida a partir do uso de um díodo, que vai cortar os semi ciclos negativos da onda de entrada na onda de saída, usando uma carga totalmente resistiva, o que é possível confirmar com a inexistência de atrasos ou avanços na tensão de saída relativamente à tensão de entrada. Idealmente, na simulação, não existe queda de tensão entre a forma de onda
  13. 13. Testes e Resultados 10 de entrada e saída, mas laboratorialmente observa-se uma queda de cerca de 2V que é derivada à presença do díodo no circuito. 3.3 Retificação de onda completa com carga R, RL e RC O objetivo é observar as formas de onda da tensão e da corrente na carga, mas desta vez usando retificação de onda completa, ou seja, com dois díodos em paralelo. Inicialmente analisou-se a forma de onda na tensão para uma carga puramente resistiva. Figura 12 – Forma de onda para a tensão na carga R. Em seguida adicionou-se uma carga RL (resistência de 10Ω em série com uma indutância de 62,9mH) e registou-se a forma de onda da corrente na carga, retirada através do sensor de efeito de Hall. Figura 13 – Forma de onda da corrente na carga RL.
  14. 14. Testes e Resultados 11 É possível observar que a indutância presente na carga, faz adiantar a forma de onda da corrente. Como se tem presente, os elementos reativos provocam desfasamentos na corrente (neste caso a corrente fica adiantada em relação à tensão). Por último, adicionou-se uma carga RC (resistência de 10Ω em paralelo com um condensador de 1mF) e registou-se a forma de onda da corrente na carga, retirada através do sensor de efeito de Hall. Figura 14 – Forma de onda da corrente na carga RC. Pode-se observar que o condensador presente na carga, faz atrasar a forma de onda da corrente. Inicialmente há um pico de corrente nos semiciclos positivos, e nos semiciclos negativos o condensador descarrega, primeiro de forma lentamente e depois a sua corrente é nula até voltar a ter um novo pico no próximo ciclo positivo. 3.4 Ponte retificadora com carga R, RL e RC Na última parte do trabalho, foram repetidos os procedimentos anteriores, mas utilizando uma ponte retificadora de díodos. Figura 15 – Forma de onda da corrente na carga R.
  15. 15. Testes e Resultados 12 Inicialmente analisou-se a forma de onda da corrente na carga puramente resistiva. É possível verificar a retificação de onda completa sem qualquer elemento de filtragem, daí a tensão de ripple ser elevada como se observa na figura anterior. Em seguida adicionou-se uma carga RL (resistência de 10Ω em série com uma indutância de 62,9mH) e registou-se a forma de onda da corrente na carga, retirada através do sensor de efeito de Hall. Pode-se verificar o desfasamento inserido pela bobina no circuito, como se comprova pela seguinte figura. Figura 16 – Forma de onda da corrente na carga RL. Por último, adicionou-se uma carga RC (resistência de 10Ω em paralelo com um condensador de 1mF) e registou-se a forma de onda da corrente na carga, retirada através do sensor de efeito de Hall. A imagem demonstra a filtragem efetuada pelo condensador inserido no circuito. Figura 17 – Forma de onda da corrente na carga RC.
  16. 16. 13 4 Conclusões A realização deste trabalho permitiu verificar o funcionamento do isolamento galvânico, conversores DC-DC e as diferentes formas de retificação da tensão, nomeadamente a retificação de meia onda e a retificação de onda completa. Foi verificado e comprovado ao longo do trabalho que na retificação de meia onda, só um semiciclo é aproveitado na retificação da tensão, contrariamente à retificação de onda completa (com dois ou quatro díodos em ponte) em que os dois semiciclos são aproveitados na retificação para DC. Foram analisadas as várias formas de ligar os díodos de modo a criar um retificador, nomeadamente a ponte retificadora que é a mais importante e comum forma de retificação não controlada e que produz uma retificação de onda completa. Um retificador de onda completa pode ser feito a partir de apenas dois díodos em paralelo, mas normalmente as fontes de alimentação utilizam pontes retificadoras. Conclui-se também que ao aplicar componentes indutivos e capacitivos ao circuito, as correntes ficam desfasadas. Como se tem presente, os elementos reativos provocam desfasamentos na corrente (numa indutância, a corrente fica adiantada em relação à tensão e um condensador faz atrasar a corrente em relação à tensão). Outro aspeto que pode ser observado nestas formas de onda, é que quanto maior o valor da indutância L em relação ao valor da resistência R, maior será o tempo que o diodo conduzirá, chegando a apresentar tensões negativas na carga por um certo tempo. Isto acontece devido a um tempo maior necessário para que a corrente chegue a zero e consequentemente fazer com que o diodo não conduza. No caso onde a resistência R é muito maior que L, a corrente chega a zero muito mais rapidamente e assim a tensão negativa na carga será menor. Com a colocação do condensador no circuito, a tensão de saída do retificador deixa de ser uma tensão variável, passando a ser praticamente contínua. Esta tensão já pode ser usada para alimentar alguns tipos de circuitos eletrónicos, porém ainda contém uma variação devido à carga e descarga do condensador de filtragem, esta variação da tensão de saída é conhecida como tensão de ripple.
  17. 17. 14 5 Referências Bibliográficas [1] LEM, “Datasheet do Current Transducer HX-03”. [2] Muhammad H. Rashid, “Eletrónica de Potência – Circuitos, Dispositivos e Aplicações”. [3] Ned Mohan, “Power Electronics – A first course”. [4] Nuvotem, “Datasheet do Toroidal Transformer”. [5] TRACO POWER, “Datasheet do DC/DC Converter”.

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