Este documento descreve uma prática de laboratório sobre conversores retificadores monofásicos. Foram simulados e medidos circuitos com carga resistiva, resistivo-indutiva e resistivo-indutiva com diodo de roda livre. Os resultados experimentais confirmaram as fórmulas teóricas para tensão e corrente média na carga. O uso de diodo de roda livre corrigiu o problema de ceifamento da corrente na carga indutiva.
1. 1. RESUMO
Nesta segunda aula pratica teve-se um contato
maior com o laboratório de eletrônica de
potência, e nesse contato aproveitou-se a
oportunidade para simular os circuitos que
foram montados no programa Psim, abordou-
se conversores retificadores monofásicos de
meia onda, e por fim aprendemos usar o diodo
de roda livre. Teve-se a oportunidade de
medir todas as tensões e corrente na carga e
no diodo retificador, assim como também
estudar, e deduzir as formulas de queda de
tensão na carga. Usando os cálculos podemos
perceber que a pratica bate com a teoria. Esta
pratica foi essencial para podermos fazer uma
analogia do conteúdo teórico com a prática.
2. INTRODUÇÃO
Na eletrônica de potência as entradas de
energia das aplicações tem forma de onda
senoidal a qual vem da rede nesta forma,
devido à facilidade de distribuição e de
adaptação de nível de tensão. No entanto,
devido à necessidade do uso de aparelhos que
utilizam tensão contínua, torna-se necessária a
utilização de conversores CA-CC. Essa
conversão de CA-CC (corrente alternada em
corrente contínua) é realizada pelos
conversores. No caso desta prática, serão
utilizados os conversores retificadores. Estes
se dividem em dois, onde podem ser tanto não
controlados que são os feitos a diodos e os
controlados que são os a tiristores.
Nesta experiência, será visto e estudado, os
retificadores não controlados e feitos a diodo.
O funcionamento ocorre da seguinte forma,
ao ser polarizado diretamente (semiciclo
positivo), permite a condução de corrente e ao
ser polarizado reversamente (semiciclo
negativo) ele bloqueia a passagem de
corrente, levando a tensão sobre a carga à
zero. Serão realizadas medidas e análises de
resultados sobre os circuitos com carga R e
RL, os quais exemplificam e permitem
visualizar o funcionamento do retificador não
controlado.
3. OBJETIVOS E MATERIAIS
MATERIAIS
- Osciloscópio;
- Resistor 140Ω;
- Indutor 0,371H;
- Diodos;
- Cabos para conexão;
OBJETIVOS
O objetivo desta aula prática é estudar e
analisar as tensões na carga e no diodo de um
sistema puramente resistivo, depois com um
sistema resistivo-indutivo e o próximo foi um
circuito resistivo indutivo com um diodo de
roda livre.
Relatório Referente ao Experimento Prático 2 de
Eletrônica de Potência – Conversor Retificador
Monofásico de Meia onda com carga R e RL.
Matheus Mendes Ribeiro - 26597
Vinicius Bastos - 24669
Professor: Clodualdo Venicio de Sousa
2. 4. DESCRIÇÃO DA PRÁTICA
Como pedido montou-se o circuito abaixo,
que a principio é composto por um circuito
conversor retificador de meia onda não
controlado com carga puramente resistiva.
Fig. 1 - Circuito retificador monofásico de meia
onda não controlado com carga puramente
resistiva.
Obtiveram-se as formas de onda de tensão da
rede, as formas tensão e corrente na carga, as
deduções, comparações e cálculos de tensão e
corrente média na carga serão abordados na
discussão.
Depois foram registradas as formas de onda
de tensão e corrente no diodo principal. As
analises serão feitas na discussão.
Logo após montou-se um circuito retificador
monofásico de meia onda não controlado com
carga resistiva indutiva, como mostrado na
figura abaixo.
Fig. 2 - Conversor retificador monofásico de meia
onda não controlado com carga resistivo-indutiva.
Obtiveram-se as formas de ondas da tensão e
corrente na carga, as comparações, deduções e
cálculos estão nas discussões. Também se
registraram as formas de onda da tensão e
corrente em cima do diodo principal.
Logo após, montou-se um circuito com carga
resistivo-indutivo com um diodo de roda livre
em antiparalelo com a carga, como mostrado
na figura abaixo.
Fig. 3 - Circuito retificador monofásico de meia
onda não controlado com carga resistivo-indutiva
com diodo de roda livre.
Obtiveram-se as formas de onda de tensão e
corrente da carga, as comparações, deduções e
cálculos estão nas discussões. Logo após
registrou-se as formas de onda de tensão e
corrente em cima do diodo principal, e o
mesmo foi feito com o doido de roda livre. As
3. comparações entre as formas de onda de
tensão e corrente dos diodos principal e de
roda livre foram feitas na discussão.
5. DISCUSSÕES
Conversor retificador sobre uma carga
puramente resistiva:
Na figura abaixo temos as formas de onda da
tensão de rede na cor azul, na cor laranja
temos a forma de onda da tensão em cima da
carga e na cor lilás temos a forma de onda da
corrente do circuito:
Fig. 4 – Forma de onda azul é a tensão da rede, a
laranja é a tensão em cima da carga e a lilás é a
forma de onda da corrente do circuito.
A tensão de rede é dada por 𝑉𝑟𝑒𝑑𝑒 =
𝑉𝑚𝑥 × 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 tensão e a corrente média na
carga são 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
1
2𝜋
∫ 𝑉𝑚𝑥 × 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡
𝜋
0
𝑑𝑤𝑡,
onde integrando fica 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉 𝑚𝑥
2𝜋
×
(−𝑐𝑜𝑠 𝑤𝑡), com limites de 0 a 𝜋, aplicando
os limites na função cosseno wt temos a
tensão na carga 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉 𝑚𝑥
𝜋
e a corrente por
sua vez fica 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑅
. Com base nessas
formulações calculou-se a tensão e corrente
média:
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉𝑚𝑥
𝜋
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
180
𝜋
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 57,32 𝑉
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑅
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
57,32
280
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑅
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 204𝑚𝐴
Os cálculos bateram com os valores medidos,
comprovando o embasamento teórico.
Registrou-se também a forma de onda da
tensão em cima do diodo retificador, como
mostrado na figura abaixo, onde temos de
diferente da ultima imagem a forma de onda
laranjada que representa a tensão em cima do
diodo.
Fig. 5 - Forma de onda laranja que representa a
tensao em cima do diodo.
Em explicação a toda essa parte
prática já mostrada, pode-se perceber que
tendo uma fonte de tensão senoidal a qual tem
um valor máximo e um período, durante seu
semi-ciclo positivo a tensão em cima do
ânodo é positiva e assim o diodo passa a
conduzir, estando então ligado, o que permite
existir corrente fluindo através do resistor e
uma tensão em cima da carga que se encontra
4. em fase com a meia onda senoidal positiva. Já
no semi-ciclo negativo, a tensão no ânodo se
torna mais negativa que no cátodo e o diodo
passa ao estado desligado, não permitindo o
fluxo de corrente para resistência.
Assim, por esses dados, observa-se
claramente o diodo como uma chave estática
quase ideal, sendo que quando há fluxo de
corrente, não há tensão e ao se ter tensão, não
há fluxo de corrente, concluindo que não há
dissipação de energia nesta chave, vulgo
diodo.
Conversor retificador sobre uma carga
RL:
Na figura abaixo temos as formas de onda da
tensão de rede na cor azul, na cor laranja
temos a forma de onda da tensão em cima da
carga e na cor lilás temos a forma de onda da
corrente do circuito:
Fig. 6 – Forma de onda azul é a tensão da rede, a
laranja é a tensão em cima da carga e a lilás é a
forma de onda da corrente do circuito.
A tensão e corrente média na carga RL podem
ser deduzidas da seguinte maneira:
𝑉 𝑚𝑒𝑑 =
1
𝑇
∫ 𝑉𝑃 sin( 𝜔𝑡) 𝑑𝑡
5𝑇
8
0
=
𝑉𝑝
𝜔𝑇
(− cos
5𝜔𝑇
8
+ cos 0)
=
𝑉𝑝
2𝜋
(− cos
5𝜋
4
+ cos 0)
𝑉𝑚𝑒𝑑 =
1,707𝑉𝑝
2𝜋
=
1,707 ∗ 180
2𝜋
= 48,9 𝑉
Já a corrente média pode ser calculada da
mesma maneira feita anteriormente, ou seja,
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑅
=
48,9
140
= 349,3 𝑚𝐴
Os cálculos bateram com os valores medidos,
comprovando o embasamento teórico.
Registrou-se também a forma de onda da
tensão em cima do diodo principal, como
mostrado na figura abaixo, onde temos de
diferente da ultima imagem a forma de onda
laranjada que representa a tensão em cima do
diodo.
Fig. 7 - Forma de onda laranja que representa a
tensao em cima do diodo principal.
Pode-se dizer que o princípio de
funcionamento do retificador monofásico de
meia onda alimentando uma carga RL é
praticamente o mesmo de um retificador
alimentando uma carga resistiva. A diferença
é que, devido ao defasamento causado pela
presença de elemento indutivo, a corrente é
ceifada no momento em que o diodo entra em
polarização reversa. Nesse instante, ao
contrário de uma situação de carga puramente
resistiva, o ciclo da corrente ainda não
terminou, pois está atrasado. Por isso pode-se
observar a forma de onda da corrente na
5. figura anterior. A corrente vai para zero antes
de a senoide estar completa.
Conversor retificador com diodo de
roda livre sobre uma carga RL:
Para corrigir a característica do ceifamento
mostrado anteriormente, é necessário que se
instale um diodo de roda livre em antiparalelo
com o diodo principal. Na figura abaixo
temos as formas de onda da tensão de rede na
cor azul, na cor laranja temos a forma de onda
da tensão em cima da carga e na cor lilás
temos a forma de onda da corrente do
circuito:
Fig. 8 – Forma de onda azul é a tensão da rede, a
laranja é a tensão em cima da carga e a lilás é a
forma de onda da corrente do circuito.
Quando se utiliza diodo de roda livre, as
fórmulas para calular tanto a tensão quanto a
corrente média são as mesmas utilizadas no
retificador de meia onda com carga puramente
resistiva. Então,
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉 𝑚𝑥
𝜋
= 57,29 𝑉
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑅
=
57,29
140
= 409,25𝑚𝐴
Os cálculos bateram com os valores medidos,
comprovando o embasamento teórico.
Registrou-se também a forma de onda da
tensão em cima tanto do diodo principal
quanto do diodo de roda livre, como mostrado
nas figuras abaixo.
Fig. 9 - Forma de onda que representa a tensao e
corrente em cima do diodo principal.
Fig. 10 - Forma de onda que representa a tensao em
cima do diodo de roda livre.
A partir das figuras anteriores, é possível
perceber que a carga é influenciada pela
condução de ambos os diodos. Enquanto o
principal conduz a maior parte da senoide, o
diodo de roda livre permite corrigir o
ceifamento da corrente causado pela
defasagem da carga indutiva. Este diodo é
responsável por conduzir apenas a parte da
corrente que é cortada pelo diodo principal.
Desta forma, é possível ver na figura 8 que a
6. corrente tem forma de onda senoidal
novamente e que a condução é caracterizada
por “regime contínuo”, o que significa que
para qualquer instante, a corrente nunca toca o
ponto zero.
Por fim, foram propostos os seguintes
exercícios:
Utilizando o software Psim, comparar
os resultados obtidos na simulação
com os resultados práticos:
Primeiramente, construiu-se o circuito de
retificação em meia onda para uma carga
puramente resistiva. Nas figuras abaixo, pode-
se observar as formas de onda de corrente e
tensão, tanto na carga quanto no diodo:
Fig. 4 – Forma de onda de corrente e tensão em
cima da carga, para o circuito puramente resistivo
Fig. 4 – Forma de onda de corrente e tensão em
cima do diodo, para o circuito puramente resistivo
Pode-se observar,então,grande semelhançacom
as formas de onda encontradas durante a
realização do experimento.
Já as figuras abaixo mostram as formas de
onda de corrente e tensão na carga e também
no diodo para o circuito RL, sem adição do
diodo de roda livre:
Fig. 4 – Forma de onda de corrente e tensão em
cima da carga, para o circuito RL
7. Fig. 4 – Forma de onda de corrente e tensão em
cima do diodo principal, para o circuito RL sem
adição do diodo de roda livre
Mais uma vez, foi possível observar grande
semelhança com as formas de ondas retiradas
no dia da medição e mostradas acima.
Por fim, a figura abaixo mostram as formas de
onda na carga RL e também no diodo de roda
livre, que é adicionado para corrigir o
ceifamento causado pelo diodo principal:
Fig. 4 – Forma de onda de corrente e tensão na
carga RL (primeiro gráfico) e também no diodo de
roda livre (segundo gráfico). O ceifamento na carga
é corrigido.
Foi possível confirmar,então,atravésda
simulação,que osresultadosobtidosnamedição
estavamcorretos,poisosgráficosobtidosno
osciloscópiopossuemexatamente amesma
formade ondae valoresobtidos.
Faça uma análise comparativa do
retificador monofásico de meia onda
alimentando uma carga RL sem diodo
de roda e com diodo de roda livre:
Como se sabe, uma carga RL possui como sua
principal característica o defasamento de
corrente em relação à tensão. Esta
característica dita toda a diferença entre um
retificador sem e com diodo de roda livre. O
retificador de meia onda sem roda livre ceifa
uma pequena parcela da corrente que está
atrasada. Em outras palavras, quando o diodo
entra em polarização reversa, a corrente ainda
está terminando de completar um semiciclo.
Esta parcela, a partir do instante da
polarização reversa, não é conduzida. Para
solucionar esta situação, é inserido um diodo
de roda livre em antiparalelo com o principal.
O diodo de roda livre irá conduzir apenas a
parcela da corrente que foi cortada pelo diodo
principal, fazendo com que o regime de
condução seja contínua.
Calcule para o retificador monofásico
de meia onda alimentando uma carga
puramente resistiva:
a) Corrente média no diodo;
𝐼 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜_𝑚𝑒𝑑 =
𝑉𝑝
𝜋
∙
1
𝑅
=
180
𝜋
∙
1
140
= 409,26 𝑚𝐴
b) Corrente de pico no diodo;
𝐼 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜_𝑝𝑖𝑐𝑜 = 409,26 𝑚 ∙ 𝜋 = 1,28 𝐴
c) Tensão de pico inversa no diodo;
𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜_𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎 = 𝑉𝑝 = 180 𝑉
8. d) Corrente eficaz no diodo;
𝐼 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜_𝑟𝑚𝑠 = 0,5 ∗ 𝐼 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜_𝑝𝑖𝑐𝑜 = 0,5 ∗ 1,28 = 0,65 𝐴
e) Corrente eficaz na carga;
𝐼 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑟𝑚𝑠 = 𝐼 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜_𝑟𝑚𝑠 = 0,65 𝐴
f) Tensão eficaz na carga;
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑟𝑚𝑠 = 0,5 ∗ 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 _𝑝𝑖𝑐𝑜 = 0,5 ∗ 180 = 90 𝑉
g) Fator de forma;
𝐹𝐹 =
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑟𝑚𝑠
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 _𝑚𝑒𝑑
=
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑟𝑚𝑠
𝑉𝑝 𝜋⁄
=
90
180 𝜋⁄
= 1,56
h) Fator de ripple.
𝐹𝑅 =
√( 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎_𝑟𝑚𝑠 )
2
− (𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 _𝑚𝑒𝑑 )2
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 _𝑚𝑒𝑑
=
√902 − (180 𝜋⁄ )²
180 𝜋⁄
= 1,2
Explique o que é condução contínua e
descontínua de um conversor e
identifique o regime de condução do
retificador montado no exercício 8:
Em poucas palavras, um regime de
condução contínuo é aquele em que a
corrente do circuito, para qualquer
instante de tempo, nunca atinge o valor de
zero. Analogamente, em um regime
descontínuo a corrente do circuito atinge o
valor de zero por um determinado tempo.
Existe ainda um terceiro tipo de regime de
condução. É chamado de regime crítico, e
se caracteriza pelo fato de, em algum
instante de tempo, a tensão e a corrente
atingirem o valor de zero ao mesmo
tempo. Temos então, para o retificar de
meia onda com diodo de roda livre, uma
condução do tipo contínua.
6. CONCLUSAO
7. BIBLIOGRAFIA
Introdução à análise de circuitos.
Robert Boylestad, 10ª Edição, Prentice
Hall do Brasil.
Retificadores a diodo: monofásico de
meia onda não controlado. Unesp.
http://www.feis.unesp.br/Home/depart
amentos/engenhariaeletrica/lepnovo/c
urso2002/cap21.pdf