Retificador não controlado sem diodo de roda livre

RETIFICADOR NÃO CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEIA ONDA

Identificação dos Alunos com número de matrícula

Clodualdo Venicio de Sousa

1. Introdução

Um circuito retificador converte tensão alternada em tensão contínua com o objetivo de compatibilizar uma fonte c.a com uma determinada carga c.c. Utiliza-se para esse processo de conversão elementos semicondutores de potência, tais como os diodos e tiristores. Em outras palavras, trata-se de um dispositivo que permite que uma tensão, ou corrente alternada (c.a) seja transformada em contínua pulsada (c.c).

A Figura 1 apresenta o diagrama em bloco de um retificador não controlado monofásico de meia onda. O presente relatório tem como objetivo avaliar através de resultados simulados e experimentais o comportamento deste retificador alimentando uma carga R ou uma carga RL.

Quando a carga é puramente resistiva durante o semiciclo positivo da tensão da rede o diodo vai estar diretamente polarizado e vai conduzir, entregando tensão à carga. Durante o semiciclo negativo o diodo vai estar reversamente polarizado e não vai conduzir não entregando tensão a carga. A corrente está em fase com a tensão e terá comportamento similar. A tensão média entregue a carga é dada pela integral apresentada na equação 1 e a corrente média é calculada em função da tensão média entregue a carga e o valor da resistência conforme equação 2.

[pic 1]

Figura 1 - Diagrama em bloco do retificador não controlado monofásico de meia onda alimentando uma carga R.

                                                                       (1[pic 2]

                                                                                (2[pic 3]

 Quando a carga possui uma parcela indutiva, a corrente cresce atrasada em relação à tensão de maneira que, quando a tensão da fonte c.a passa por zero (ωt=180º), ainda há corrente no circuito. Verifica-se que a força contra eletromotriz gerada pelo indutor mantém o diodo polarizado mesmo após a tensão da rede ter ficado negativa.

Como a corrente se extingue após a tensão da fonte c.a ter ficado negativa, surge na saída do retificador uma parcela de tensão negativa. O diodo vai cortar quando a energia armazenada no indutor se esgotar, ou seja, quando a corrente no mesmo chega à zero em ωt=β onde β e ângulo de esticão e pode ser encontrado através do Ábaco de Puschlowski. A tensão média entregue a carga é dada pela integral apresentada na equação 3 e a corrente média é calculada em função da tensão média entregue a carga e o valor da resistência conforme equação 4.

                                                        (3[pic 4]

                                                                                (4[pic 5]

Para cancelar a tensão de saída negativa entregue a carga RL instala-se em antiparalelo com a mesma um diodo de roda livre como apresentado na Figura 2. O funcionamento do circuito passa a ser descrito como:

• ωt  entre 0 e π – o diodo principal conduz a corrente de carga. A tensão da fonte CA é positiva;
• ωt  entre π e β -  o diodo de roda livre entra em condução no instante em que a tensão na carga tende a ficar negativa, isto é, em ωt = π.

Em resumo em ωt = π, o diodo principal entra em corte, e o diodo de roda livre promove um caminho para que o indutor se descarregue. A corrente de carga passa a ser a somatório da corrente no diodo principal mais a corrente no diodo de roda livre. A tensão e a corrente média na carga voltam a ser calculadas através das equações 1 e 2. A duração da descarga do indutor através do diodo de roda livre depende da constante de tempo τ do circuito RL, dada pela expressão τ = L/R. Após cinco constantes de tempo, aproximadamente, a corrente se anula e o diodo de roda livre se bloqueia.

[pic 6]

Figura 2 - Diagrama em bloco do retificador não controlado monofásico de meia onda com diodo de roda livre alimentando uma carga RL.

1. Análise operacional do conversor

1. Operação com carga R

A Figura 3 apresenta a tensão na rede de alimentação do conversor e a tensão e corrente na carga resistiva obtida durante os testes experimentais. Durante o semiciclo positivo da tensão da rede o diodo está diretamente polarizado e o mesmo é entregue a carga. Durante o semiciclo negativo o diodo está reversamente polarizado não tendo tensão na carga. A carga é puramente resistiva desta forma a tensão e a corrente estão em fase. Utilizando o osciloscópio foi verificado que a tensão média na carga é 61,7V e a corrente média aproximadamente 520mA.

[pic 7]

Figura 3 – a) Tensão na rede, tensão e corrente retificada na carga puramente resistiva b) tensão e corrente retificada na carga puramente resistiva.

A Figura 4 apresenta os mesmos resultados, entretanto obtidos através de ferramentas computacionais.  Observa-se que os resultados são similares aos apresentados anteriormente. Na Figura 5 são apresentados os valores médios da tensão e da corrente. Observa-se que o valor medido da tensão é de aproximadamente 60V e a corrente 420mA. As diferenças nas medições estão associadas à calibração das pontas de corrente e tensão e a precisão do equipamento utilizado na medição. Informa-se que na figura a corrente está sendo multiplicada por um fator de 20 para fins de visualização.

[pic 8]

Figura 4 - a) Tensão na rede, tensão e corrente retificada na carga resistiva b) tensão e corrente retificada na carga resistiva.

[pic 9]

Figura 5 - Tensão e corrente média entregue a carga.

Através das equações 5 e 6 é possível calcular o valor médio da tensão e da corrente na carga para validar os valores anteriormente apresentados. O valor da tensão média na carga é de 57,32V e a corrente de 410mA. Observa-se que os valores calculados estão muito próximos dos valores obtidos através da ferramenta computacional.

                                                                (5[pic 10]

                                                                (6[pic 11]

Na Figura 6 são apresentadas a tensão e corrente no diodo principal e a tensão e corrente na rede de alimentação. Observa-se que o diodo opera como chave, ou seja, hora tem tensão hora tem corrente. A tensão monitorada no diodo é sempre negativa e a corrente de anodo para catodo é sempre positiva. A rede está alimentando o retificador com uma tensão senoidal fase neutro de 132Vrms. Entretanto, a carga está impondo uma corrente diferente de uma senoide. Na Figura 7 são apresentados os resultados obtidos através de ferramentas computacionais. Verifica-se comportamento similar aos comentados anteriormente.