CIRCUITOS RETIFICADORES

CIRCUITOS RETIFICADORES

Retificador um circuito que faz a conexo entre uma fonte CA e uma Carga CC, isto , converte uma tenso CA em CC. A tenso direta assim obtida no pura tal qual a de uma bateria, contm componente de ripple alternada (CA), superposta com um nvel mdio (CC).

Existem vrios tipos possveis de retificadores, e, de acordo com o tipo, obtm-se diferentes ripples, tenso mdia e eficincia na sada. De acordo com a natureza da carga, influncias significativas podem ocorrer na tenso CA de alimentao.

1 - CIRCUITOS E NOMENCLATURAS

Os circuitos retificadores dividem-se em dois grandes grupos, os de meia-onda ou um caminho, e os de onda completa ou em ponte ou dois caminhos.

Os retificadores de meia-onda so aqueles que possuem um diodo por fase da tenso CA de alimentao na entrada. Todos os diodos so ligados em ctodo ou nodo comum em um terminal de carga, e o outro terminal da carga ligado ao neutro do transformador de alimentao. A expresso meia-onda vem do fato de que, em cada fase na entrada, a corrente unidirecional; por isso alguns autores preferem a denominao um caminho.

Os retificadores de onda completa correspondem associao de dois retificadores de meia-onda ligados em srie. Um deles leva a corrente at a carga, e o outro faz o retorno para a entrada CA, eliminando a necessidade de uma fonte CA com neutro. A expresso onda completa provm de que, em cada fase na entrada, a corrente tem dois sentidos, com valor mdio nulo. Da alguns autores preferirem a denominao dois caminhos.

Quanto caracterstica de controle, os retificadores se enquadram em uma das seguintes categorias: sem controle, meio controlado ou hbridos e totalmente controlado.

O retificador sem controle contm apenas diodos, fornecendo carga uma tenso mdia fixam que depende da tenso alternada presente na entrada.

O retificador totalmente controlado contm apenas tiristores ou ento transistores de potncia. Nesses retificadores, utilizando-se circuitos de disparo apropriados, o valor mdio entregue carga pode ser controlado, desde um valor positivo at um valor negativo. Esse fato caracteriza esses retificadores como conversores bidirecionais, pois o fluxo de potncia ora vai da entrada para a carga, ora da carga para a entrada.

O retificador hbrido ou meio controlado contm um misto de diodos e tiristores. O valor mdio na carga controlado, porm sempre positivo, desde um valor mdio mximo at zero. Esse fato caracteriza esses retificadores como conversores unidirecionais, pois o fluxo de potncia vai sempre da entrada para a carga.

Pelo nmero de pulsos caracteriza-se a tenso de sada de um retificador, e conseqentemente define-se quantas vezes essa tenso de sada maior que a tenso de entrada. Por exemplo, retificador de seis pulsos quer dizer que o ripple de sada seis vezes maior que a freqncia da entrada. Assim, sendo de 60 Hz a freqncia fundamental do ripple da sada.

2 - DIODO DE COMUTAO

Em muitos retificadores, em particular os bidirecionais, coloca-se um diodo em paralelo com a carga, ilustrado na Fig. 1. Esse diodo, denominado diodo de retorno, de circulao ou de comutao, evita que a tenso mdia na carga fique negativa durante o semiciclo negativo da tenso CA na entrada, mantendo a corrente do retificador na carga.

Fig. 1 - Posio do diodo de comutao

Esse diodo tem, portanto, duas funes bsicas:

Evitar a tenso mdia negativa na carga;

Manter a corrente em circulao na carga, mesmo com os tiristores do conversor bloqueados.

3 - RETIFICADOR MONOFSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)

Este o mais simples dos retificadores, e seu circuito est representado na Fig. 2.

Fig. 2 - Retificador monofsico de meia-onda. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para carga puramente resistiva. ( c ) Formas de onda para cargas contendo indutncia.

As formas de onda esto representadas na Fig. 2(b), considerando-se desprezvel a queda direta nos diodos, ou seja, quando diretamente polarizado (nodo positivo em relao ao ctodo), o diodo funciona como um interruptor simples fechado (curto-circuito), e quando inversamente polarizado, como um interruptor simples aberto (circuito aberto). As formas de onda da Fig. 2(b) foram construdas considerando-se uma carga puramente resistiva e uma tenso senoidal vs, com valor de pico Vmax da entrada. No semiciclo positivo da tenso de entrada, o diodo conduz; a corrente na carga ser iL = vs/R. No semiciclo negativo o diodo ser bloqueado, e a corrente na carga ser igual a zero. Nessas condies a tenso de entrada ser aplicada reversamente no diodo. O valor mdio da tenso na carga pode ser determinado a partir da definio do valor mdio aplicado forma de onda da tenso na carga. Resulta:

p

=

q

=

q

w

q

q

q

p

0

max

mdio

(rad)

t

=

onde

d

sen

V

)

(1/2

=

V

(1.1)

p

=

mx

mdio

V

V

:

Portanto

(1.2)

A maioria das cargas (tais como motores CC) necessita de valores mdios de tenso, sendo, ento, pequeno o interesse pelo valor mdio uma caracterstica do circuito, porm indesejvel para a carga.

O diodo dimensionado pela corrente que o atravessa e pela tenso reversa mxima Vd nele aplicada, nesse caso igual tenso mxima da rede, Vmx.

Algumas cargas contm, alm da resistncia, tambm uma indutncia em srie, cujas formas de onda esto ilustradas na Fig. 2( c ) e esquematizadas na Fig. 3.

Fig. 3 - Circuito equivalente de uma carga indutiva.

Devido a presena da indutncia, haver uma atraso na corrente com relao tenso. Dessa forma, aps terminar o semiciclo positivo da tenso de entrada, ainda existir corrente na carga, e o diodo continuar conduzindo, at que a corrente suavemente chegue em zero. Conforme Fig. 3, a tenso instantnea na carga dada pela expresso:

dt

di

L

Ri

V

L

L

L

+

=

(1.3)

A tenso mdia na carga :

q

q

p

f

=

q

=

q

d

sen

V

)

(1/2

=

V

mx

0

mdio

(1.4)

Obtida da forma de onda da tenso na carga, Fig. 2 ( c ), tendo nesse caso um valor menor que no caso com resistncia pura.

O retificador monofsico de meia-onda pode se tornar controlado substituindo o diodo por um tiristor, cujo acionamento feito por um circuito de disparo apropriado, como mostra na fig. 4 ( a ). O tiristor est diretamente polarizado no semiciclo positivo. Ento, se o circuito de disparo fornecer um impulso positivo de corrente Ig em relao ao ctodo, o tiristor entrar em conduo. Dessa forma, o ngulo de atraso ( pode variar teoricamente de 0 a 180. As Figuras 4 ( b) e 4 ( c ) mostram as formas de onda para dois diferentes ngulos de disparo. O diodo de comutao no permite que a tenso na carga fique negativa, aumentando assim seu valor mdio. Sem o diodo de comutao, as formas de onda so similares quelas da Fig. 2( c ), com exceo do atraso dado pelo ngulo de disparo.

Fig. 4 - Retificador monofsico controlado com diodo de comutao. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para ( menor que 90. ( c ) Formas de ondas para ( maior que 90.

O diodo de comutao comea a conduzir a partir do instante em que a tenso de alimentao inicia o semiciclo negativo. Para os ngulos de disparo pequenos pode acontecer de o tiristor ser disparado antes que a corrente pelo diodo de comutao chegue a zero. Ento a corrente na carga contnua, Fig. 3 ( b ); se o ngulo de disparo for grande (prximo a 180), o tiristor disparado quando a corrente do diodo de comutao j tiver extinguido. Nesse caso a corrente na carga dita descontnua, Fig. 3 ( c ).

Analisando a forma de onda da tenso na carga, conclui-se que a tenso mdia pode ser determinada pela equao:

)

cos

1

(

2

V

d

sen

V

)

2

/

1

(

V

mx

mx

mdio

a

+

p

=

q

q

p

=

p

a

EMBED Equation.3 (1.5)

Portanto:

para ngulo de disparo igual a zero (

p

=

mx

mdio

V

V

(mximo)

para ngulo de disparo igual a 180 (

0

V

mdio

=

(mnimo)

A tenso sobre o tiristor apresenta uma parte positiva e uma negativa. A parte positiva corresponde ao intervalo em que o tiristor est diretamente polarizado, mas no recebeu impulso de gate. A parte negativa corresponde ao intervalo em que o tiristor est inversamente polarizado. Portanto a tenso direta mxima igual tenso reversa mxima, e ambas iguais Vmax. Quando o tiristor est conduzindo, a queda direta praticamente zero.

Concluindo, pode-se dizer que o diodo de comutao tem duas funes bsicas no retificador: evitar tenso negativa na carga, aumentando o valor mdio, e conduzir no semiciclo negativo da tenso de entrada, retirando energia da carga e diminuindo o intervalo de conduo do tiristor.

4 - RETIFICADOR BIFSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)

O circuito de retificador bifsico de meia-ona est desenhado na figura 5 ( a ). alimentado por duas tenses senoidais, V1 e V2, defasadas de 180 entre si, obtidas de um transformador com tomada central (N). Em qualquer instante, somente um dispositivo (diodo ou tiristor) estar conduzindo a corrente eltrica. No caso de diodos, conduzir aquele que estiver ligado fase com maior tenso, e, no caso de tiristores, tenta-se disparar os dois simultaneamente, aquele ligado fase de maior tenso entrar em conduo.

Com relao Fig. 5 ( a ), T1; analogamente T2, dentro do semiciclo de V2. O circuito de disparo foi omitido. Entretanto basta construir um circuito que fornea pulsos, como mostram os grficos de Ig1 e Ig2. Se o ngulo de disparo for igual a zero, os tiristores se comportaro como se fossem diodos.

Quando T1 disparado, a corrente na carga aumenta, e, devido indutncia, T1 s deixar de conduzir quando T2 for acionado. Como T2 acionado quando V1 negativo, aparecer uma tenso negativa na carga. Condies anlogas ocorrem quanto T2 disparado. A tenso sobre os tiristores tem a mesma forma de onda, porm defasada de 180 entre si. No caso de T1, inicialmente, a tenso positiva, mas no recebeu impulso de gate. Portanto no est conduzindo. Aps o impulso de gate entra em conduo, a tenso cai a zero (desprezvel); e, aps o disparo de T2, T1 bloqueado e a tenso sobre ele V = V1 + V2 (ver Fig. 6). Logo, nos tiristores a tenso direta mxima igual tenso reversa mxima, e ambas iguais a 2 Vmax, que o valor mximo da tenso nos terminais do secundrio do transformador de entrada.

Fig. 5 - Retificador controlado bifsico. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Analisando a forma de onda da tenso na carga, na Fig. 5 ( b ), conclui-se que o valor mdio da tenso na carga ser:

a

p

=

q

q

p

=

a

+

p

a

cos

V

2

d

sen

V

)

/

1

(

V

mx

mx

mdio

(1.6)

Essa equao assume que a indutncia da carga seja grande o suficiente para no deixar que a corrente na carga seja zero, qualquer que possa ser o ngulo de disparo, condio essa vivel na prtica.

A forma de onda da tenso na carga permite dizer que se trata de um conversor de dois pulsos. As formas de onda das correntes ilustradas na Fig. 2 ( b ) correspondem condio de corrente contnua na carga. Nota-se que o ripple grande, com valor mdio relativamente pequeno. No caso de corrente descontnua na carga, indutncia pequena, aparecero perodos de tenso igual a zero na carga.

Fig. 6 - Circuito ilustrado T2 conduzindo e T1 bloqueado.

5 - RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA COMPLETA (OU DE DOIS CAMINHOS)

Esse retificador (tambm conhecido como conexo em ponte) pode ser do tipo sem controle (4 diodos), hbrido ou meio controlado (2 diodos e 2 tiristores), ou totalmente controlado (4 tiristores). Esta seo descreve cada um dos tipos.

5.1 - Sem controle

Na Fig. 7 esto desenhados quatro tipos de circuitos que podem representar esse retificador. A ttulo de estudo e comparao com futuros retificadores, a representao mais utilizada aquela da Fig. 7 ( c ), embora se utilize tambm a da Fig. 7 ( d ), pois essas configuraes permitem estudar outros retificadores por comparao. Por exemplo, associando-se em srie dois retificadores de meia-onda, utilizando-se na alimentao uma tomada central N, equivale ao de onda completa. Assim sendo, a forma de onda da tenso na carga pode ser obtida com uma alimentao senoidal, Vx e Vy, ou ento considerando uma tomada central e as tenses V1 e V2, referenciadas a N. Sem tomada central, quando Vx positivo, D1 e D2 conduzem, e, quando Vy positivo, conduzem D3 e D4, resultando as formas de onda da Fig. 7 ( e ). Com tomada central para V1 positivo e V2 negativo, D1D2 conduzem, e, para V2 positivo e V1 negativo, D3 e D4 conduzem, resultando as formas de onda da Fig. 7 ( e ). Nos dois casos a tenso reserva mxima no diodo o valor mximo da tenso alternada (Vmax), presente entre os terminais do secundrio. As formas de onda da corrente nos diodos e na entrada so idnticas quelas do retificador bifsico de meia-onda, mostradas na Fig. 5.

Similarmente ao retificador anterior, o retificador monofsico de onda completa pode ser caracterizado por um conversor de dois pulsos.

Fig. 7 - Retificador monofsico em ponte. ( a ) - ( d ) Circuitos representativos. ( e ) Formas de onda.

5.2 - Totalmente Controlado

O circuito do retificador monofsico totalmente controlado est representado na Fig. 8, na qual os diodos foram substitudos por tiristores. Para alimentao da carga, os tiristores T1 e T2 devem ser acionados simultaneamente quando Vx positivo ou quando V1 positivo e V2 negativo e, 180 depois (prximo semiciclo), acionados T3 e T4. Para acionamento de dois tiristores simultaneamente, o circuito de disparo deve ser interligado com os tiristores, como mostra a Fig. 9.

A equao que fornece o valor mdio da tenso na carga a mesma estudada no retificador bifsico de meia-onda, ou seja:

a

p

=

cos

V

2

V

mx

mdio

(1.7)

Esta equao no aplicada para o caso de corrente descontnua na carga.

Fig. 8 - Retificador em ponte totalmente controlado. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Fig. 9 - Terminais de sadas do circuito de disparo

5.3 - Hbrido ou Semicontrolado

possvel o controle de tenso mdia na carga utilizando-se dois tiristores e dois diodos, como mostra na Fig. 10 ( a ). Devido mistura de elementos retificadores, o circuito dito hbrido ou meio controlado. Outro modelo para representar este retificador mostrado na Fig. 11, que ilustra nitidamente a conexo de dois retificadores de meia-onda em srie, onde os tiristores levam a corrente at a carga e considerando a tomada central, desenham-se as tenses nos terminais da carga, referenciadas ao ponto N da tomada central; a diferena entre os potenciais dessas tenses a tenso final na carga; sem tomada central, desenha-se a tenso na carga diretamente. Nesse retificador, a tenso na carga nunca negativa, pois os diodos da ponte funcionam como diodo de comutao no circuito toda vez que a tenso de alimentao passar por zero.

O tiristor que est conduzindo continua nessa condio at que o outro tiristor seja disparado, pois a carga indutiva. Por exemplo, quando T1 acionado, o retorno feito por D2, at que a tenso de alimentao passe por zero; da, devido presena do indutor na carga, T1 continua conduzindo com D4, at que T2 seja disparado (caso de corrente contnua na carga). Colocando o diodo de comutao sempre que a tenso de alimentao passa por zero, o tiristor que estava conduzindo ser bloqueado, pois a impedncia do diodo de comutao menor que a da associao em srie de um diodo mais um tiristor. A corrente ento fluir por esse diodo bloqueando o tiristor. A tenso mdia na carga ser:

)

cos

1

(

V

d

sen

V

)

/

1

(

V

mx

mx

mdio

a

+

p

=

q

q

p

=

p

a

(1.8)

A tenso mdia na carga pode ser controlada desde um valor mdio mximo igual a 2Vmax/( (ngulo de atraso igual a 0) at um valor nulo (ngulo de atraso igual a 180).

Fig. 10 - Retificador monofsico hbrido. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Fig. 11 - Circuito retificador monofsico hbrido

Fazendo uma comparao entre os retificadores hbrido e o totalmente controlado, pode-se afirmar que a inverso de tenso na carga s possvel no retificador totalmente controlado, e nas vizinhanas de zero a corrente na entrada tem menor distoro no caso do hbrido.

6 - RETIFICADOR TRIFSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)

O retificador trifsico de meia-onda o mais simples dos retificadores polifsicos. Necessita obrigatoriamente de um transformador trifsico na entrada, com o secundrio ligado em estrela (ou ziguezague), fato que limita um pouco seu uso. Portanto, para simplificar o estudo considere que na entrada os enrolamentos secundrios esto inicialmente em ligao estrela.

Com o aumento do nmero de fases, o nmero de pulsos da tenso na carga maior, melhorando o fator de ripple, e aumentando o valor mdio da tenso. No caso de carga indutiva, a corrente no retificador pode ser considerada contnua. Generalizando, nos retificadores polifsicos as correntes sero consideradas contnuas, e com ripple desprezvel.

O Circuito no retificador trifsico de meia-onda est esquematizado na Fig. 12 ( a ), as fases esto conectadas com a carga via diodos, e o retorno da carga para o transformador, via neutro, da a obrigatoriedade da ligao estrela.

Os diodos esto ligados em ctodo comum. Portanto aquele que tiver o nodo mais positivo estar conduzindo; consequentemente, a fase com valor instantneo mais positiva, D1 estar conduzindo, e a tenso aplicada na carga ser V1.

Fazendo o mesmo raciocnio para D2 e D3, obtm-se a forma de onda da tenso na carga, desenhada na Fig. 21 ( b ). Portanto cada diodo conduz, individualmente, durante 120, fato que caracteriza esse retificador como um conversor de trs pulsos. A corrente na carga devida conduo dos trs diodos. Como sempre existe um diodo conduzindo, essa corrente ser contnua, e, em valor mdio 3 vezes maior que a corrente por diodo; em valor RMS, raiz rs vezes maior.

Sendo IL a corrente mdia na carga, de acordo com o exposto com anteriormente, a corrente RMS nos diodos ser:

3

I

I

L

RMS

=

(1.9)

As formas de onda da tenso sobre os diodos so iguais entre si e defasadas de 120 uma da outra. Na figura 12 ( b ) est desenhada a tenso sobre D1. Quando D1 conduz, a tenso sobre ele praticamente zero; da entra em conduo D2, que aplica em D1 a tenso de linha V12; aps D2, entra em conduo D3, que aplica em D1 a tenso de linha V13. Ento D1 volta a conduzir, repetindo o ciclo. A tenso reversa mxima sobre os diodos o valor mximo da tenso de linha, (3 Vmax de fase.

O valor mdio da tenso na carga pode ser dado pela equao:

mx

6

/

5

6

/

mx

mdio

V

2

3

3

d

sen

V

3

/

2

1

V

p

p

p

=

q

q

p

=

(1.10)

Fig. 12 - Retificador trifsico de meia-onda. ( a ) Circuito ( b ) Formas de onda.

A corrente nos enrolamentos secundrios do transformador de entrada possui uma componente CC diferente de zero, responsvel pelo aquecimento do transformador, devido ao fenmeno de magnetizao. Para contornar esse problema, pode-se utilizar na entrada do retificador um transformador com 6 enrolamentos secundrios, conectados em ziguezague, como mostra a Fig. 13 ( a ), garantindo que a corrente refletida para primrio seja alternada, como mostram as formas de onda da Fig. 13 ( b ).

Fig. 13 - Ligao ziguezague. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Quando os diodos da Fig. 12 ( a ) so substitudos por tiristores, como mostra a Fig. 14 ( a ), o retificador passa a ser totalmente controlado, podendo ento ajustar o valor mdio da tenso na carga de acordo com o valor do ngulo de disparo, ajustado pelo circuito de disparo. Mais uma vez no est representado o circuito de disparo, mas ele deve enviar trs pulsos positivos aos gates dos tiristores, em relao aos respectivos ctodos, defasados entre si de 120. A referncia para ngulo de atraso igual a zero o cruzamento entre si das tenses de fases, nesse caso a tenso mdia na carga mxima, e o retificador funciona como se os tiristores fossem diodos.

Da forma de onda da tenso na carga, Fig. 14 ( b ), pode-se concluir que a tenso mdia correspondente dada pela equao:

a

p

=

q

q

p

=

a

+

p

a

+

p

cos

V

2

3

3

d

sen

V

3

/

2

1

V

mx

6

5

6

mx

mdio

(1.11)

Portanto, dependendo do valor de (, a tenso mdia pode ser positiva (( ( 90), zero (( = 90) ou negativa (( ( 90). Evidentemente, o ripple aumenta; porm, por se tratar de um conversor de trs pulsos, taxa de aumento menor que no caso de dois pulsos.

Fig. 14 - Retificador trifsico meia-onda totalmente controlado. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda. ( c ) e ( d ) Tenso na carga

7 - RETIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA (OU DE DOIS CAMINHOS)

O circuito retificador trifsico de onda completa, esta desenhado na figura 15, a carga alimentada via trs diodos ligados em catodo comum, e o retorno feito via trs diodos ligados em nodo comum, dispensando o ponto de neutro, aceitando, portanto, a alimentao em tringulo ou estrela.

Fig. 15 - Retificador trifsico onda completa

Na figura 16 est desenhado, de forma convencional, o circuito do retificador trifsico onda completa, em que a construo da forma de onda da tenso na carga pode ser feita de duas maneiras. Uma considerar que a tenso na carga proveniente de dois retificadores trifsicos de meia-onda referenciados ao ponto neutro N, resultando um valor positivo e outro negativo por fase, a diferena (tenso de linha) a tenso na carga. Outra analisar o fluxo de corrente no circuito, lembrando que a corrente convencional vai sempre do potencial mais positivo para o potencial mais negativo. Por exemplo, considerando a forma de onda da tenso de fase na figura 16 ( b ), no intervalo de 30 a 90, a tenso mais positiva Va, portanto D1 conduz; e Vb, a mais negativa, portanto D6 conduz. Logo a tenso na carga Va - Vb, tenso de linha. Fazendo o mesmo raciocnio para os demais intervalos, conclui-se que cada diodo no circuito conduz durante 120, e a cada 60 existem dois diodos conduzindo simultaneamente, aplicando na carga tenso de linha. As formas de onda desenhadas na Fig. 16 foram feitas considerando ligao estrela no secundrio. Caso seja ligao tringulo, as mesmas consideraes podem ser feitas.

Considerando a forma de onda da tenso na carga, Fig. 16, o retificador se caracteriza como um conversor de seis pulsos, com valor mdio de tenso na carga igual a:

)

mx

(

linha

mdio

V

3

V

p

=

(1.12)

A Fig. 16 mostra que as correntes no secundrio do transformador so simtricas em relao ao eixo dos tempos, tendo ento valor mdio nulo, justificando a denominao dois caminhos, j que a corrente tem dois sentidos em cada enrolamento secundrio do transformador de entrada.

Trocando os diodos por 6 tiristores, o retificador fica totalmente controlado, como mostra a Fig. 17. Dessa forma, o valor mdio da tenso na carga pode ser controlado de acordo com o ngulo de disparo dos tiristores.

A Fig. 17 mostra as formas de onda para um pequeno ngulo de disparo, que, a menos do incio de conduo, so semelhantes queles do conversor de seis pulsos com diodos. A corrente no lado da carga depende da conduo simultnea de dois tiristores. Logo o circuito de disparo, alm de acionar seqencialmente os tiristores, de acordo com a tenso presente na entrada, deve prever o acionamento dos tiristores dois a dois simultaneamente (duplo pulso), eliminando o problema inicial de partida e falhas no circuito.

Por exemplo, quando Vc a tenso mais negativa, T2 pode ser disparado. Como Va a tenso mais positiva, o circuito de disparo envia simultaneamente um pulso para o gate de T3 e um no gate de T2, e assim sucessivamente. Logo, a cada 60, o circuito de disparo aciona simultaneamente dois tiristores, como mostra o grfico dos pulsos nos gates, na Fig. 17 ( b ). Quando o tiristor disparado pelo segundo pulso, provavelmente j se encontra em conduo, porm mais um reforo para garantir a sua conduo, e, dessa forma aumentar a confiabilidade do circuito.

Fig. 16 - Retificador trifsico onda completa. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

A Fig. 17 ( c ) mostra formas de onda de tenso na carga para ngulos de disparos maiores. Observar que, para um ngulo de disparo igual a 90, a tenso mdia na carga zero. O valor mdio da tenso na carga pode ser dado pela expresso:

a

p

=

cos

V

3

V

)

mx

(

linha

mdio

(1.13)

No considerando a queda direta sobre os tiristores.

Fig. 17 - Retificador trifsico onda completa totalmente controlado. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para ngulo de disparo pequenos. ( c ) Tenso na carga para ngulos de disparo grandes.

O circuito ser um retificador trifsico hbrido se os diodos D1, D2 e D3 da Fig. 16 forem substitudos por tiristores T1, T2 e T3, como mostra a Fig. 18 ( a ). O acionamento dos tiristores fecha o circuito, permitindo corrente do transformador para a carga; os diodos fazem o retorno da carga para o transformador. Dessa forma, o circuito equivale associao em srie de um retiricador trifsico de meia-onda totalmente controlador com um trifsico de meia-onda sem controle, como mostram as formas de onda da figura. 18 ( b ).

A forma de onda da tenso na carga equivale soma das formas de onda das tenses na carga, devidas associao em srie dos dois retificadores trifsicos de meia-onda antes mencionados, resultando num conversor de trs pulsos, com ripple bem superior ao conversor totalmente controlado.

As formas de onda das correntes na Fig. 18 ( b ) ilustram que em T1 o incio da conduo dependo do instante de disparo; em D4 o incio da conduo feito quando Va passa a ser a tenso mais negativa, resultando numa corrente mdia no enrolamento secundrio do transformador de entrada, porm com um grande nmero de harmnicas.

Fig. 18 - Retificador trifsico onda completa hbrido. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para ngulos de disparo pequenos. ( c ) Formas de onda para ngulos de disparo grandes.

A figura 18 ( c ) desenhadas as formas de onda de tenso e correntes para um ngulo de disparo igual a 90. Observe que a tenso na carga possui intervalos peridicos nulos, durante os quais a corrente na carga mantida pela presena do diodo de retorno. fcil verificar que nesse circuito a tenso na carga nunca atinge valores negativos, e que seu valor mdio pode ser controlado desde um valor mximo at zero. A equao que fornece o valor mdio da tenso na carga para este caso :

)

cos

1

(

V

2

3

V

)

mx

(

linha

mdio

a

+

p

=

(1.14)

Fazendo uma comparao entre os retificadores trifsicos de onda completa totalmente controlado e o hbrido, evidentemente o hbrido um circuito mais barato, porm possui um ripple maior na carga e um maior nmero de harmnicas na linha.

OPERAO DOS CONVERSORES

A palavra retificao implica a converso de energia de uma fonte CA para alimentao de uma carga CC. Na prtica, sob determinadas condies, a potncia pode inverter seu fluxo, indo da carga CC para a fonte CA. Nessas condies se diz que o retificador opera no modo inversor. Portanto a palavra conversor usada para se refetir a um retificador, quando o fluxo de potncia vai da fonte CA para a carga CC, ou a um invesor, quando esse fluxo se inverte.

1 - COMUTAO

No captulo anterior, foi considerada instantnea a passagem da corrente de um diodo (ou tiristor) para o outro. Na prtica, existe a impedncia da fonte CA, que corresponde associao em srie de um indutor e um resistor, impondo que essa passagem seja feita durante um intervalo de tempo bem determinado, definido como tempo de comutao. Esse tempo o tempo que a corrente demora para sair de zero at atingir a corrente de regime no diodo que vai entrar em conduo, ou o tempo que a corrente demora para ir do regime at chegar a zero no diodo a ser bloqueado.

O elemento predominante na fonte CA de alimentao o indutor, a parte resistiva desprezvel. Dessa forma, na comutao dos diodos, a troca de corrente sofrer um atraso devido presena dessa indutncia, que na prtica recebe o nome de reatncia de comutao. O equivalente a Thvenin da fonte CA correspondente a uma fonte ideal de tenso em srie com um indutor ideal, em cada fase de alimentao.

Para expor o fenmeno da comutao, considere o circuito retificador da Fig. 1 ( a ), que representa um retificador trifsico de meia-onda, alimentado por um transformador cujo secundrio est ligado em estrela, e cada fonte foi substituda pelo equivalente de Thvenin correspondente. As formas de onda esto desenhadas na Fig. 1 ( b ), onde ( o tempo de comutao devido reatncia de comutao L da fonte CA. Observe que durante a comutao, dois diodos consecutivos conduzem simultaneamente. Devido a sua caracterstica, ( tambm chamado ngulo de comutao, e durante a comutao a entrada enxerga um curto-circuito entre fases, sendo que 2L limita a corrente nessas condies, e na carga a corrente no alternada, pois corresponde soma das correntes nos dois diodos em comutao. Quanto maior for o tempo de durao da comutao, menor ser a tenso mdia na carga.

A comutao termina quando a corrente no diodo que vai entrar atinge o nvel da corrente na carga. Para equacionar essa situao, considere D1 e D2 em comutao; o circuito equivalente o da Fig. 2. Ignorando a queda direta dos diodos, e aplicando a segunda lei de Kircchoff na nica malha o circuito, resulta:

dt

di

L

dt

di

L

1

2

+

=

n

-

n

(1.1)

A tenso V2 - V1 igual a zero para t = 0, pois, nessa condio, V1 = V2 (fases iguais em mdulo). Como a tenso de linha dada pela diferena entre fases, vem:

.

fase

de

mxima

tenso

V

onde

,

dt

di

L

2

t

sen

V

3

mx

mx

=

=

w

onde

,

C

t

cos

L

2

Vmx

3

i

L

2

t

sen

V

3

dt

di

to

tan

Por

mx

+

w

w

-

=

w

=

L

2

V

3

C

mx

w

=

, pois para t = 0 ( i = 0. Finalmente resulta:

)

t

cos

1

(

L

2

V

3

i

mx

w

-

w

=

(1.2)

Fig. 1 - Comutao no retificador trifsico de meia-onda sem controle. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

A comutao termina quando i = IL ( ( = (t, sendo X = (L (reatncia de comutao).

Vem:

)

cos

1

(

X

2

V

3

I

mx

L

g

+

=

(1.3)

ou

mx

L

V

3

X

)

I

(

2

1

cos

-

=

g

(1.4)

COMUTAO EM CORRENTE CONTNUA

Nos captulos anteriores, onde os dispositivos retificados esto conectados a fonte CA os mesmos desligam quando a corrente naturalmente atinge o nvel zero do ciclo senoidal. Muitas outras aplicaes so encontradas com dispositivos ligados a fontes de corrente contnua (CC). No caso faz-se o desligamento dos dispositivos conectados a fontes CC reduzindo a corrente a zero e/ou aplicando uma voltagem reversa por um tempo suficiente para inibir a recuperao do dispositivo no estado de bloqueio. O tiristor um dispositivo em que, particularmente, meios externos so empregados para bloque-lo durante a conduo de corrente.

Transistores de potncia podem ser bloqueados pela simples reduo da corrente de base, sem a necessidade de nenhum dispositivo ou circuito externo. Quando a carga indutiva, porm, a energia magntica durante o chaveamento ser dissipada no transistor, resultando dessa maneira um sobreaquecimento do componente, o que uma desvantagem. A Fig. 1 nos mostra que um diodo pode ser usado para desviar a corrente de carga quando o transistor bloqueia, evitando assim o problema anteriormente citado. Esse diodo chamado diodo de retorno (freewheeling) ou diodo de comutao.

Fig. 1 - Controle a transistor

Agora veremos vrios circuitos de bloqueio, os quais utilizam o princpio de carga e descarga capacitivo e/ou princpio da oscilao por ressonncia entre capacitores e indutores.

Para o bloqueio do tiristor, um capacitor carregado colocado sobre ele atravs de chave S, e a tenso reversa ir extinguir o fluxo de corrente. As formas de onda Fig. 2 representam a corrente e a tenso sobre o tiristor, com o capacitor carregado inicialmente com o nvel de bateria E. Com um simples arranjo, o capacitor poder ser carregado para manter a tenso a reversa requerida, e no tempo de bloqueio necessrio.

Para converter o circuito da Fig. 2 em algo prtico, substituiremos a chave mecnica S por um subsistema eletrnico, o que restaura a carga do capacitor C a cada seqncia de chaveamento. Tal circuito apresentado na Fig. 3, sendo conhecido como circuito de chaveamento em CC (cirucito chopper).

Para compreendermos a maneira pela qual o circuito da Fig. 3 ( a ) funciona, o melhor modo observarmos toda a seqncia de chaveamento. Assumindo os tiristores como sendo idias e os componentes, sem perdas, chamaremos T1 de tiristor principal e T2, de tiristor auxiliar, o qual chavear o capacitor sobre T1 para bloque-lo. O indutor L necessrio para proporcionar a inverso de polaridade no capacitor antes do chaveamento sobre T1.

Fig. 2 - Bloqueio por capacitor paralelo. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Quando a bateria conectada, no h nenhum fluxo de corrente e os tiristores esto desligados. Para a seqncia de operao correta, o capacitor C dever ser carregado em primeiro lugar por meio do disparo do tiristor T2, tal como mostra o circuito equivalente da Fig. 4 ( a ). Aps um certo tempo, o capacitor estar carregado com a tenso da bateria. E, porm na prtica, quando o decaimento de corrente (exponencial decrescente) estiver abaixo do nvel de manuteno (corrente de holding) do tiristor T2 a mesma cessar.

Quando disparamos o tiristor T1, conectando a bateria carga, observamos o circuito equivalente da Fig. 4 ( b ). Ao mesmo tempo, existir um fluxo de corrente para a carga e um fluxo de corrente oscilatria na malha formada pelo indutor L, capacitor C, diodo D e tiristor T1, que cessar aps meio ciclo, devido ao bloqueio do diodo D. Agora se dispararmos o titistor T2 colocaremos um a tenso reversa sobre T1 e o bloquearemos, pois a oscilao inverte a tenso do capacitor C; porm nesse instante o pico mximo da corrente exponencial atravs de T2 ser 2E/R.

Resumindo as condies do circuito da Fig. 3: disparamos T1 para conectar a carga bateria; disparamos T2 para bloquear T1, desconectando a carga da bateria. Esse circuito apresenta uma desvantagem que o carregamento do capacitor atravs da prpria carga do sistema. O diodo D, na prtica, pode ser substitudo por um tiristor, o que disparado simultaneamente com o tiristor T1. Dessa maneira possvel evitar uma segunda oscilao na presena de uma indutncia no circuito bateria-carga aps o bloqueio do tiristor T2, descarregando parte do capacitor C via bateria E e diodo D.

O tiristor substituo previne contra uma descarga secundria.

Fig. 3 - Um circuito chopper que emprega comutao por capacitor em paralelo.

( a ) Circuito de referncia. ( b ) Formas de onda.

Fig. 4 - Condies equivalentes para o circuito da Fig. 3 ( a ) Quanto T2 inicialmente disparado. ( b ) Quanto T1 inicialmente disparado.

O circuito da Fig. 5 dispensa o uso do indutor. O princpio que o disparo do titistor T1 conectado carga R1 habilite o carregamento do capacitor C, via resistor R2. Disparando T2, a tenso do capacitor C sobre T1 o bloqueia. Com o disparo de T2, a corrente flui por R2, e o capacitor se carrega com polaridade inversa, via R1. Disparando T1, agora bloquearemos T2.

A desvantagem desse circuito simples a perda no resistor R2 durante o perodo em que a carga principal permanece desligada.

A perda pode ser minimizada fazendo R2 muito maior que R1; porm, agora haver limitao no tempo de carregamento do capacitor no chaveamento da carga.

Fig. 5 - Chopper com capacitor em paralelo

Fig. 6 - Circuito de comutao com capacitncia paralela.

Um circuito que dispensa o carregamento do capacitor atravs da carga mostrado na Fig. 6.

Nesse circuito o disparo de T1 conecta a carga bateria. Ao mesmo tempo ou aps, o tiristor T3 pode ser disparado, dessa maneira colocando um circuito LC sobre a bateria E. Assim iniciar uma oscilao que levar o capacitor C tenso da ordem de 2E.

Para entender como o capacitor se carregar com tenso 2E, podemos considerar as formas de onda da Fig. 7. Chaveando o circuito LC sobre a bateria, iniciar uma oscilaes com freqncia ( = 1/(2((LC)Hz, desprezando-se as perdas. Caso existam algumas perdas no circuito, a oscilao terminar, e a tenso no capacitor atingir o valor E. Contudo, o tiristor T3 evita qualquer corrente reversa e, dessa maneira, somente meio ciclo de oscilao ocorre, levando o capacitor C a se carregar com uma tenso prxima de 2E.

Com referncia Fig. 6, o tiristor T1 bloqueado pelo capacitor quando o tiristor T2 disparado. O capacitor C se carregar com polaridade inversa da bateria e, num segundo disparo dos tiristores T1 e T3, uma oscilao de alta energia se estabelecer no circuito, levando o capacitor C a se carregar com tenso de nvel acima de 2E. Uma vantagem do circuito que o capacitor de comutao se carrega com tenses bem superiores da bateria. Uma desvantagem que o disparo involuntrio dos tiristores T2 e T3 simultaneamente causa um curto-circuito sobre a bateria.

Se a carga for indutiva, ento necessrio um diodo de comutao (freewheeling) sobre a carga, como mostrado na Fig. 6, para desviar a corrente de carga do tiristor durante o chaveamento.

Na escolha de um circuito para uma determinada aplicao, deve-se levar em conta o tipo d carga, a relao de chaveamento, o tamanho dos componentes, as perdas e o custo.

Fig. 7 - Formas de onda quando o circuito LC em srie conectado bateria.

1 - COMUTAO POR OUTRO TIRISTOR DE CONDUO DE CARGA

Vrios circuitos, particularmente aqueles empregados em inversores (geradores de CA a partir de fontes CC), usam uma tcnica de comutao de transferir a corrente de carga do tiristor principal (ocasionando seu bloqueio) para um outro tiristor ou diodo de produo.

Um circuito simples, que transfere corrente igualmente para as duas cargas, ilustrado com formas de onda apropriadas na Fig. 8.

Quando o tiristor T1 disparado, uma das cargas conectada bateria, e ao mesmo tempo o capacitor C carregado atravs de outra carga. Quando o tiristor T2 disparado, o capacitor carregado colocado sobre o tiristor T1, que bloqueado, e a outra carga inicia a conduo de corrente, pois foi conectada bateria. A carga eltrica no capacitor invertida a cada chaveamento.

possvel considerarmos agora um chaveamento de cargas iguais, tal qual o inversor simplificado a que se refere a Fig. 9, sendo que as cargas da Fig. 8 (a ) foram substitudas pelo enrolamento do primrio de um transformador, no qual a carga efetiva est no secundrio. O chaveamento alternado dos dois tiristores em igual intervalo de tempo dar uma voltagem alternada carga.

Fig. 8 - Comutao entre duas cargas iguais. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.

Fig. 9 - Converso da Fig. 17 ( a ) em um inversor bsico

Um circuito complementar, comutado por impulsos, denominado McMurray-Bedford mostrado na Fig. 10. Se os tiristores T1 e T2 esto ligados, a carga est conectada bateria. Alternadamente, a bateria pode ser conectada carga, em sentido oposto, pelos tiristores T3 e T4, quando ligados. Portanto uma tenso alternada aparecer na carga.

Se no circuito da Fig. 10 o tiristor T1 (e T2) est conduzindo quando disparamos o tiristor T4, automaticamente a corrente de carga ser transferida para este, e T1 bloquear. Se o tiristor T1 for bloqueado sem qualquer mudana em outros (T2, T3), ento a carga ser desconectada da bateria. Se, por outro lado, o tiristor T3 disparado ao mesmo tempo em que T4, ento os tiristores T1 e T2 bloqueiam, e a bateria conectada carga no sentido oposto.

Para auxiliar na explanao dos eventos durante a comutao, consideramos a Fig. 11 ( a ), que mostra as condies para o disparo do tiristor T4. O capacitor C4 carregado com a voltagem da bateria E. A energia armazenada no campo magntico do indutor vale (1/2)LI2. Imediatamente aps o disparo do tiristor T4, as condies de mudana so mostradas na Fig. 11 ( b ). O capacitor C4 impe sua tenso sobre a bobina L4, a qual induz uma voltagem E sobre a bobina de acomplamento L1. Analisando o diagrama, observamos o tiristor T1 reversamente polarizado com uma tenso E; portanto T1 est bloqueado.

A distribuio de corrente, apresentada na Fig. 11 ( b ), imediatamente aps o disparo do tiristor T4, devido condio da energia armazenada no campo magntico de L1 e L4, no pode mudar, mantendo o valor (1/2)LI2. Assumindo a carga resistiva, a corrente I igual nos dois capacitores C1 e C4 colocados em paralelo, que iniciam uma oscilao com L4, com freqncia.

)

Hz

(

LC

2

1

f

p

=

(1.1)

Quando a carga no capacitor C4 cai para (1/2 E), a voltagem no tiristor T1 passa a ser positiva no nodo, fornecendo o tempo de desligamento do tiristor T1. Se no existissem os diodos, a oscilao levaria o capacitor C1 a suportar tenses maiores que 2E, finalizando com o valor E. Portanto a presena do diodo D4 evita a voltagem reversa sobre C4 e auxilia no decrscimo da corrente em L4, tal como mostra a Fig. 11 ( c ), levando C1 a se carregar com tenso E. A corrente no tiristor T4 agora passar a zero devido s perdas em D4 e L4.

Fig. 10 - Fonte Comutada por um impulso complementar (McMurray-Bedford).

Fig. 11 - Condies durante o bloqueio (carga resistiva). ( a ) Antes do disparo de T4. ( b ) Imediatamente aps o disparo de T4. ( c ) Aps o capacitor passar a ter uma tenso reversa.

Na maioria dos casos a carga ser indutiva, havendo indutncias muito maiores que L (na rede de comutao). No caso, a corrente de carga I continuar com a distribuio apresentada na Fig. 12 ( a ), imediatamente aps o disparo do tiristor T4. Agora a corrente de descarga dobrar no capacitor C4, como mostra a Fig. 11 ( b ). Assumindo que a corrente de carga no muda durante o perodo de comutao, ento o diodo D4 inicia a conduo nas condies apresentadas na fig. 12 ( b ), com a corrente diminuindo em T4 e a corrente de carga fluindo via T2 e D4 com tenso na carga zero.

Fig. 12 - Condies durante o bloqueio (carga indutiva),( a ) Imediatamente

a disparo de T4. ( b ) Quando o diodo D4 conduz.

CONVERSOR CC-CC (CHOPPER)

Abaixador de tenso

(a)

(b)

Fig. 1 Conversor abaixador de tenso. ( a ) Diagrama esquemtico. ( b ) Formas de onda ideais.

Tipos de controle do valor mdio da tenso de sada:

1 Variando ton e mantendo o perodo T constante, tambm chamado de modulao por largura de pulso (PWM);

2 Mantendo ton ou toff constante e variando o perodo T, ou seja, modulao em freqncia;

3 Variando tanto ton quanto toff.

Elevador de tenso

Fig. 2 Diagrama esquemtico do conversor elevador de tenso.

on

0

in

a

t

.

I

.

V

E

=

(

)

off

0

in

0

f

t

.

I

.

V

V

E

-

=

(1.1)

Como toda energia armazenada em L deve ser entregue carga num perodo, ento Ea = Ef.

+

=

off

off

on

0

t

t

t

.

V

V

(1.2)

Se