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