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Retifiers de fase única

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Uma fonte de alimentação DC é geralmente considerada um dispositivo que fornece DC, ou unidirecional, tensão e corrente. As baterias são uma dessas fontes de alimentação, no entanto, são limitadas em termos de vida e despesa. Um método alternativo para fornecer energia unidirecional é transformar a energia da linha CA em energia DC usando um retificador.

Um retificador é um dispositivo que passa a corrente em uma direção, e bloqueia-o na outra direção, permitindo a transformação do AC para DC. Os retificadores são importantes em circuitos eletrônicos, pois só permitem a corrente em uma determinada direção depois que uma certa tensão de avanço limiar através deles é superada. Um retificador pode ser um diodo, um retificador controlador de silício ou outros tipos de junções P-N de silício. Diodos têm dois terminais, o ânodo e o cátodo, onde a corrente flui do ânodo ao cátodo. Os circuitos retificadores usam um ou mais diodos que alteram tensões e correntes CA, que são bipolares, para tensões unipolares e correntes que podem ser facilmente filtradas para alcançar tensões e correntes DC.

Principles

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Os retificadores de diodo são dispositivos semicondutores de dois terminais que passam a corrente em uma direção e bloqueiam-no na outra direção. A corrente passa do ânodo para o cátodo, mas não do cátodo para o ânodo. Normalmente há alguma corrente de vazamento na direção de bloqueio (cátodo para ânodo), mas é muito baixa. Os diodos que bloqueiam o fluxo de corrente, portanto, precisam bloquear um certo nível de tensão em frente ao cátodo até o ânodo, de modo que os diodos são classificados para sua capacidade de transporte atual e sua capacidade de bloqueio de tensão. Quando a tensão nos terminais do diodo excede essa classificação de bloqueio de tensão, o diodo opera na região de decomposição onde quebra e passa a corrente em ambos os sentidos. O fato de os diodos passarem corrente em uma direção leva a capacidades de retificação onde o AC pode ser convertido em DC.

Os retificadores de meia onda (Fig.1 e Fig. 2) só passam metade da tensão de entrada CA para a saída enquanto bloqueiam a metade negativa, fornecendo uma tensão de saída zero. Os retificadores de ondas completas (Fig. 3 e Fig. 4) invertem a polaridade da metade negativa para se tornarem positivos, além de passar a metade positiva. Embora as saídas desses retificador não sejam suaves, elas são por definição de saídas DC, pois a corrente flui em apenas uma direção. No entanto, essas formas de onda de saída são tipicamente filtradas para suavizar a tensão de saída resultante.

O objetivo deste experimento é estudar a operação de retificador de ondas únicas e de ondas completas para diferentes tipos de carga. A retificação, juntamente com as características de desapareçam dos diodos, são observadas quando a corrente do diodo atinge zero. A filtragem da tensão de saída DC usando um capacitor eletrolítico também é estudada.

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Procedure

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ATENÇÃO: Durante este experimento, não toque em nenhuma parte do circuito enquanto estiver energizado. A fonte CA só é aterrada, como mostrado na Fig. 1 e 2 quando o gerador de função é uma fonte. NÃO aterrar o VARIAC.

1. Configuração de origem AC

Para este experimento, duas fontes CA são usadas; um transformador variável (VARIAC) a uma baixa frequência de 60 Hz e um gerador de função com saída sinusoidal de pico de 10 V e frequência de 1 kHz.

  1. Antes de iniciar, conecte a sonda diferencial a um canal de escopo e uma sonda regular ao outro canal.
  2. Ajuste os botões nos testes da seguinte forma: sonda diferencial em 20X (ou 1/20) e a sonda regular em 10X. Não se esqueça de ligar a sonda diferencial.
  3. No menu de cada canal no escopo, defina a sonda em 10X. Para a sonda diferencial, multiplique manualmente quaisquer medidas ou resultados por dois para alcançar os 20X desejados.
  4. Para configurar o gerador de função, certifique-se de que o OUTPUT de 50 Ω esteja conectado a um cabo BNC-to-jacaré.
    1. Conecte os clipes de jacaré a uma sonda de escopo regular para observar a saída do gerador de função.
    2. Defina a saída como um sinusoide no pico de 10 V e na frequência de 1 kHz com deslocamento DC zero.
    3. Observe a saída do gerador de função e ajuste suas configurações para alcançar a forma de onda de saída desejada.
    4. Uma vez que o sinal esteja definido, desconecte o conector BNC, mas mantenha o gerador de função ligado para manter suas configurações. Desconecte a sonda de escopo da saída do gerador.
  5. Para configurar o VARIAC, certifique-se de que a saída VARIAC (parece um recipiente regular) não esteja conectada a nenhum cabo.
    1. Mantenha o VARIAC OFF e certifique-se de que seu botão está definido como zero.
    2. Ajuste lentamente o botão VARIAC para 5% de saída. Isso deve render cerca de 10V de tensão máxima.

Retifificador de meia onda

2. Carga resistiva com entrada de alta frequência

  1. Use o gerador de função como fonte CA, mas mantenha-o desconectado do circuito por enquanto.
  2. Na placa proto, construa o circuito mostrado em Fig.1. O diodo (D) é 2A01G-T avaliado para 50 V e 2 A, enquanto o resistor de carga (R) é de 51 Ω.
    1. Certifique-se de que a polaridade do diodo está correta. O traço no diodo está no cátodo.
  3. Antes de conectar a sonda diferencial ao circuito, amarre os terminais da sonda e ajuste sua forma de onda medida na tela para mostrar tensão de deslocamento zero.
    1. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída Vpara fora.
    2. Conecte uma sonda regular através do lado CA para observar a tensão de entrada Vin.
    3. Conecte o gerador de função ao circuito.
  4. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar Vdentro e V para até quatro ciclos fundamentais de Vem. Faça uma cópia das formas de onda.
    1. Amplie na região de desligto do diodo e faça uma cópia das formas de onda.
  5. Desconecte o gerador de funções e remova a sonda diferencial para modificações de carga. Mantenha o resto do circuito e conexões como eles são.

Figure 1
Figura 1: Retificador de meia onda com carga resistiva

3. Carga indutiva resistiva com entrada de alta frequência

  1. Utilizando o mesmo circuito em Fig. 1, conecte um indutor de 4,7 mH(L)em série com a carga resistiva, como mostrado na Fig. 2.
  2. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão do resistor V,que tem a mesma forma de forma de onda que a corrente de carga R-L que eusaí.
  3. Ligue a saída do gerador de função.
  4. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar Vdentro e V para até quatro ciclos fundamentais de Vem. Faça uma cópia das formas de onda.
    1. Amplie na região de desligto do diodo e observe o atraso no tempo de desapareçam. Faça uma cópia das formas de onda.
    2. Desligue a saída do gerador de função e desconecte-a do circuito.
    3. Remova o indutor L e mantenha o resto do circuito como ele é.

Figure 2
Figura 2: Retificador de meia onda com carga R-L

4. Carga resistiva com entrada de baixa frequência

  1. Certifique-se de que a saída VARIAC está em 5% e desconectada do circuito. Conecte a sonda diferencial através do VARIAC, gire o VARIAC ON e ajuste ligeiramente sua saída para atingir o pico de 10 V.
    1. Capture a forma de onda no escopo para usar como sua observação de tensão de entrada de referência.
    2. Desligue o VARIAC, mas não altere a configuração de tensão.
  2. Utilizando o mesmo circuito da Fig. 1, ou seja, com o indutor desconectado e o resistor sendo a única carga, conecte a saída VARIAC usando o cabo plug-banana.
  3. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída, V para fora.
  4. Ligue a saída VARIAC. Fique longe do circuito e observe as formas de onda no escopo. Se você precisar depurar seu circuito, desarje o VARIAC OFF primeiro.
  5. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V para até quatro ciclos fundamentais. Faça uma cópia da forma de onda.
    1. Amplie na região de desligto do diodo e faça uma cópia das formas de onda.
  6. Desligue o VARIAC e desmonte o circuito. NÃO altere a configuração de tensão VARIAC.

Retifificador de ondas completas

5. Carga Resistiva

  1. Na placa proto, construa o circuito mostrado em Fig. 3.
    1. Certifique-se de que a polaridade do diodo está correta. O traço no diodo está no cátodo.
  2. Uma vez que o circuito esteja pronto, conecte a saída VARIAC como fonte CA.
  3. Conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída Vpara fora.
  4. Ligue a saída VARIAC. Fique longe do circuito e observe as formas de onda no escopo. Se você precisar depurar seu circuito, desarje o VARIAC OFF primeiro.
  5. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V para até quatro ciclos fundamentais de Vem. Faça uma cópia das formas de onda.
    1. Meça o valor de pico para pico de Vusando os cursores.
  6. Mantenha as conexões da sonda como estão e desligue o VARIAC e desmonte o circuito.
    1. NÃO altere a configuração de tensão VARIAC.

Figure 3
Figura 3. Retificador de ondas completas com carga resistiva.

6. Carga resistiva com capacitor de filtragem

  1. Utilizando o mesmo circuito em Fig. 3, conecte um capacitor eletrolítico (C) em paralelo com a carga resistiva, como mostrado na Fig. 4.
    1. Certifique-se de que a polaridade do capacitor está correta com o terminal (- ) conectado ao lado negativo da carga.
  2. Ligue a saída VARIAC. Fique longe do circuito e observe as formas de onda no escopo. Antes de depurar o circuito, ligue o VARIAC OFF.
  3. Ajuste a base de tempo no escopo para mostrar V para até quatro ciclos fundamentais de VIN. Faça uma cópia das formas de onda.
    1. Meça o valor de pico para pico de Vfora usando os cursores e a opção de acoplamento CA para esse canal (o acoplamento CA elimina o deslocamento DC de um sinal).
  4. Devolva isso ao acoplamento dc assim que a medição for feita.
  5. Desligue o VARIAC.
  6. Desmonte o circuito e limpe o banco.

Figure 4
Figura 4. Retificador de ondas completas com carga resistiva e filtragem capacitiva

Os retificadors monártuais são usados para converter tensão de alimentação CA e corrente para DC, conforme necessário para equipamentos de alimentação e dispositivos eletrônicos digitais. A energia de rede padrão fornecida às casas e comércio é AC. No entanto, a maioria dos eletrônicos digitais são projetados para funcionar com energia DC. Os retificador são dispositivos que podem ser usados para transformar eletricidade CA em uma fonte DC compatível. Um retificador passa a corrente em apenas uma direção, transformando assim a entrada CA bipolar em uma saída retificada unipolar. Os circuitos retificadores usam um ou mais diodos para passar apenas energia CA positiva ou negativa, resultando em uma fonte pulsante, que é então filtrada para alcançar tensão e corrente suaves, consistentes, DC. Este vídeo introduz conceitos fundamentais de circuitos retificadores e diodos, demonstra vários circuitos retificadores comuns e testa a saída de tensão dos circuitos retificadores com variações na entrada de tensão e configuração de carregamento.

Os retificador são dispositivos usados em circuitos eletrônicos para passar a corrente em uma direção e bloqueá-la na outra direção. Os retificadors permitem a passagem da corrente somente quando uma tensão de limiar para a frente é superada. Os retificadores de diodo têm dois terminais, o ânodo e o cátodo, com corrente fluindo do ânodo ao cátodo e bloqueado do cátodo ao ânodo. Retificadores de meia onda em fase única passam a tensão através de um único diodo. Neste circuito, apenas a metade positiva da tensão de entrada CA transmite para a saída através do resistor de carga. Se o diodo fosse invertido, apenas a metade negativa da tensão de entrada CA apareceria através do resistor. A tensão para a metade negativa do ciclo CA está bloqueada. Com apenas uma polaridade, o RMS, ou raiz média ao quadrado, a tensão de saída é reduzida em comparação com a da tensão de entrada bipolar. Os retificadores de ondas completas passam os dois ciclos da tensão de entrada CA através de um circuito de quatro pontes de diodo, como mostrado. Invertendo a polaridade da metade negativa e produzindo uma tensão média de saída mais alta através do resistor de carga. Os retificadores resultam em uma corrente unidirecional, mas pulsante com o efeito mais aparente em retificadores de meia onda. No entanto, a saída do retificador é tipicamente filtrada pela adição de um indutor em série com a resistência à carga. No retificador de ondas completas, um capacitor montado em paralelo ao resistor de carga serve ao mesmo propósito. Este vídeo ilustra a operação de retificador de fase única de ondas completas com diferentes cargas de saída, características de desligar o diodo e filtragem da tensão de saída DC usando diferentes circuitos.

Para esta demonstração de operação retificador, são utilizadas duas fontes CA diferentes, de alta frequência, uma entrada kilohertz, é produzida utilizando um gerador de função com saída sinusoidal de pico de 10 volts. A entrada de 60 hertz de baixa frequência é fornecida por uma variac. Não toque em nenhuma parte do circuito enquanto estiver energizado. Ao usar a fonte do gerador de função, os circuitos são aterrados como mostrado. Não aterrar a oferta variada. Para configurar o gerador de função para saída de alta frequência, conecte a sonda diferencial a um canal de osciloscópio um e uma sonda de 10x ao canal dois. Ajuste os fatores de escala para 20x na sonda diferencial e 10x na sonda de 10x. Nos menus do canal de escopo, defina ambas as sondas em 10x. Para a sonda diferencial, multiplique manualmente medições por dois para alcançar a saída desejada de 20x. Em seguida, conecte um cabo BNC ao cabo de jacaré à saída de 50 ohm do gerador de função e conecte os clipes de jacaré à sonda de escopo de 10x. Defina a saída para um pico de 10 volts e 1.000 hertz forma de onda sinusoidal com zero dc offset. Uma vez que o sinal esteja definido em conformidade, desconecte o conector bnc e a sonda de escopo, mas mantenha o gerador de função ligado para manter suas configurações. Para configurar o variac para saída de baixa frequência, certifique-se de que o recipiente de saída está desconectado, e que ele está desligado com seu botão definido para zero. Em seguida, ajuste lentamente o botão variac para 5% de saída para atingir o pico de 10 volts.

Primeiro, teste o retificador de meia onda com uma tensão de entrada de alta frequência e uma carga resistiva. Construa o circuito como mostrado, usando um resistor de carga de 51 ohm e um diodo avaliado em 50 volts e dois amperes. A polaridade do diodo é rotulada com um símbolo de traço na extremidade do cátodo. Antes de conectar a sonda diferencial ao circuito, conecte os terminais da sonda e ajuste a forma de onda para zero de tensão de deslocamento. Em seguida, conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída e a sonda de 10x através do lado CA para observar a tensão de entrada. Em seguida, ajuste a base de tempo no escopo para mostrar entrada e tensão de saída para quatro ciclos de tensão de entrada. Desconecte o gerador de funções e remova a sonda diferencial do circuito antes de fazer quaisquer modificações. Em seguida, teste o retificador de meia onda com entrada de alta frequência e uma carga indutiva resistiva. Reutilize o circuito, adicionando um indutor em série com o resistor, como mostrado. Como descrito anteriormente, conecte as sondas ao circuito e exiba formas de onda de entrada e tensão de saída. Desligue o gerador de função, desconecte a sonda diferencial e remova o indutor do circuito. Por último, teste o retificador de meia onda com entrada de baixa frequência e uma carga resistiva. Conecte a sonda diferencial através da variac e ligue-a. Ajuste a variac para obter uma saída de pico de 10 volts e, em seguida, desligue a variac sem alterar a configuração de tensão. Conecte a saída variada ao circuito resistivo, como mostrado. Em seguida, conecte a sonda de tensão diferencial através do resistor de carga para observar a tensão de saída. Ligue o varico. Não toque no circuito com a potência variada conectada e ligada. Como descrito anteriormente, exiba formas de onda de entrada e tensão de saída.

Primeiro, teste o retificador de ondas completas com uma carga resistiva. Construa o circuito como mostrado e conecte as sondas e a saída variada ao circuito. Como descrito anteriormente, exiba formas de onda de entrada e tensão de saída e meça o pico até as tensões de pico. Retendo as conexões da sonda, desligue o variável e conecte um capacitor eletrolítico em paralelo com a carga resistiva. Em seguida, observe a tensão de entrada e saída.

A primeira figura mostra quatro ciclos de uma tensão de alimentação CA e a saída de uma carga resistiva acoplada a um retificador de meia onda. Apenas o meio ciclo positivo da tensão AC de entrada passa pelo retificador do diodo. Se a tensão de entrada do circuito retificador de meia onda for sinusoidal, então a saída média de tensão para um único diodo com uma carga resistiva é a tensão de pico de entrada dividida por pi. Quando um indutor é adicionado em série com o resistor de carga, a região de desligar o diodo é adiada. Esta combinação de indutor e resistor é um filtro de passagem baixa. Quando o valor do indutor é suficientemente grande, o componente oscilatório da saída é bloqueado, deixando apenas o componente DC constante. Para um retificador de ponte completa, os meiociclos positivos de entrada passam pelo circuito e os meiociclos negativos são corrigidos para positivo. A adição de um capacitor suficientemente grande filtra a maior parte da ondulação de tensão, e fornece a carga com uma tensão DC consistente.

Os retificadores de diodo estão na maioria das fontes de alimentação, carregadores, unidades de frequência variável e em muitos circuitos de proteção. Primeiro, os adaptadores de alimentação CA são usados para converter energia para máquinas fornecidas por DC ou para recarregar baterias DC contidas nos dispositivos. O adaptador pode ser tão simples quanto um circuito composto por um transformador para descer a tensão a partir da fonte de parede de 120 volts, um retificador de ondas completas de quatro pontes de diodo e um capacitor para suavizar a tensão de saída DC. Os retificadores controlados por silicone são retificadores controlados por silicone comumente usados em dimmers claros, controladores de velocidade do motor e reguladores de tensão. Por design, o timristor é para camadas alternadas de semicondutores do tipo P e N usados para criar um ânodo na extremidade do tipo P, um cátodo na extremidade do tipo N e um salto de portão conectado à camada do tipo P ao lado do cátodo. Acima de um limiar de travamento, um pulso de corrente no portão muda o timristor de fora para frente, permitindo o fluxo de corrente para frente do ânodo para o cátodo. Isso retifica o fluxo de corrente em uma direção e regula a potência de saída com um mecanismo de comutação integrado.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE aos retificadores de fase única. Agora você deve entender como os retificadors de fase única funcionam, circuitos retificador comuns e sua saída, e algumas aplicações retificar comuns. Obrigado por assistir.

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Results

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Espera-se que uma carga resistiva acoplada a um retificador de meia onda só veja o meio ciclo positivo da tensão AC de entrada, uma vez que o retificador de diodo pode passar a corrente em uma direção. Com um retificador de ponte completa, os meiociclos positivos e negativos de entrada são corrigidos para serem positivos, mas a adição de um capacitor filtrará a maior parte da ondulação de tensão e fornecerá a carga com uma tensão DC limpa.

Quando um indutor é adicionado em série com a carga, espera-se que o diodo desligue. Isso pode ser explicado da seguinte forma: Diodos desligam sob duas condições (que são necessárias para coexistir) 1) a corrente no diodo tem que ir para zero, e 2) a tensão através do diodo (tensão anodo-para-cátodo) está abaixo do limiar de turn-on. Quando um indutor está em série com a carga, ele armazena energia e agirá como uma fonte atual quando a fonte não estiver disponível ou estiver ficando negativa no lado do ânodo do diodo. Portanto, a corrente indutor manterá o diodo como tendencioso para a frente até que a energia do indutor seja dissipada. Equações essenciais que regem circuitos retificadores básicos com entrada Vem=V0cos(ωt):

Diodo único e carga resistiva: fora>=V0/π (1)

Ponte de diodo e carga resistiva: <Vfora>=2V0/π (2)

Ponte de diodo, carga de origem atual: fora>=2V0/π (3)

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Applications and Summary

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Os retificadores de diodo estão quase em todas as fontes de alimentação, carregador, unidade de frequência variável e em muitos circuitos de proteção. A maioria das fontes de alimentação DC ou fontes de alimentação CA ajustáveis usam retificadores de diodo para converter AC para DC e, em seguida, para AC ajustável, se necessário, como em fontes de alimentação CA e unidades de frequência variável. Aplicações em conversores eletrônicos de energia são comuns para bloqueio de tensão, e para energia de roda livre em indutores, relés eletromecânicas e enrolamentos motores. As aplicações de diodo vão além das aplicações eletrônicas de energia para eletrônicos de baixa potência, sistemas de comunicação e aplicações de iluminação.

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Transcript

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