Conhecendo os diodos: Retificador meia onda


Conhecendo os diodos: Retificador meia onda

Os diodos são um dos componentes mais utilizados nos circuitos eletrônicos. O papel fundamental de um diodo é controlar a direção do fluxo da corrente elétrica. Quer dizer, um diodo permite a passagem de corrente elétrica em um sentido e bloqueia a passagem no sentido inverso.

Fisicamente um diodo é um dispositivo de 2 terminais, sendo um deles chamado de anodo e o outro de catodo. Um exemplo típico de diodo pode ser visto na figura a seguir:

Diodo retificador 1N4004

A extremidade correspondente ao catodo de um diodo é normalmente marcada com uma tarja preta.

O símbolo eletrônico que representa um diodo retificador como o da figura anterior é o seguinte:

Símbolo de um diodo retificador

Lembre-se, o fluxo da corrente é entrar pelo anodo e sair pelo catodo, sempre que a tensão do anodo for superior a do catodo. Se a tensão no catodo for superior a do anodo, não há circulação de corrente.

Curva de resposta de um diodo ideal

Um diodo ideal possui a seguinte curva de operação:

Curva de um diodo ideal

O que podemos dizer analisando esta curva?

Para tensões abaixo de zero, ou seja tensões negativas) a corrente que passa pelo diodo é zero. Para tensões acima de de zero, a passagem de corrente é total, sendo somente limitada pelo circuito externo. Pense como se fosse um interruptor que é ligado quando a tensão é positiva e desligado quando a tensão é negativa.

Tipos de diodo

Felizmente, os diodos reais estão longe de apresentarem uma curva ideal. É graças a estas diferenças entre as curvas reais e as que podem ser efetivamente fabricadas, os diodos são otimizados para outros usos além da retificação propriamente dita. Os principais tipos são:

Diodos retificadores de baixa frequência: São os costumeiramente utilizados em projetos de fontes lineares, operando em 50/60 Hz, e na separação de fluxos de corrente em circuitos eletrônicos de baixa velocidade.

Diodos retificadores de alta frequência ou chaveadores: Também chamados de diodos de pequeno sinais. Utilizados em rádio frequência e fontes chaveadas.

Diodos Schottky: Apresentam uma queda de tensão inferior ao diodo padrão (0.15 a 0.45V com correntes de 1 mA). Úteis em situações onde se deseja clipar picos de tensão.

Diodos Varicap ou varactor: Diodos no qual a capacitância entre anodo e catodo varia de forma proporcional com a tensão reversa aplicada. Uteis em aplicações de rádio frequência.

Diodo Zener : Diodos utilizados como referencia de tensão, utilizados sempre com tensão reversa.

Diodos Light-emitting diodes (LEDs) : Diodos que emitem luz ao serem polarizados diretamente. Podem ser vermelhos, amarelos, azul, verde e branco.

Diodos Esaki ou diodos tunel : São os diodos mais resistentes a radiação nuclear. Apresentam uma região de operação com resistência negativa, o que facilita a implementação de circuitos biestáveis.

Diodos Peltier Diodos utilizados para geração da calor e frio proporcional à passagem de corrente elétrica.

Curva de resposta de um diodo real

A curva de resposta de um diodo real pode ser vista na figura a seguir:

Curva de um diodo real

Esta curva nos diz que um diodo real, ao ser polarizado reversamente, permite a passagem de uma corrente elétrica muito pequena, da ordem de nanoamperes. Isto ocorre até que seja alcançado a tensão reversa de avalanche do diodo. Ao ser atingido este valor o diodo “não aquenta” mais bloquear a corrente e se permite a condução. A corrente então fica limitada somente pelas resistencias externas.

Já no caso da polarização direta (curva sob fundo verde) o diodo não conduz até ser atingida a tensão de barreira, da ordem de 0.7 volts para diodos de silício e 0,3V para diodos de germânio. Depois disto a condução ocorre a a corrente é limitada somente pelas resistências externas.

É necessário sempre levar em consideração a tensão de condução?

Tudo depende dos valores de tensão envolvidos no circuito. Observe o circuito a seguir. Desejamos calcular a corrente que passa em função de diferentes valores de tensão na bateria.

Circuito para cálculo da corrente I

Suponhamos que a tensão da bateria seja de 100V. Se considerarmos o diodo ideal, o valor da corrente é dado pela aplicação simples da lei de ohm:

I= 100/10000= 10 mA

Se levamos em consideração a queda de tensão no diodo:

I= (100-0.6)/10000= 9.94 mA

O erro por não levar em consideração a queda de tensão no diodo é de 0.603%.

Agora vamos considerar que a bateria é de 10 volts:

I= 10/10000= 1 mA

Se levamos em consideração a queda de tensão no diodo:

I= (10-0.6)/10000= 0.994 mA

O erro por não levar em consideração a queda de tensão no diodo passa a ser 6,38%.

E finalmente vamos considerar uma bateria com tensão de 1 volt:

I= 1/10000= 0.1 mA

Se levamos em consideração a queda de tensão no diodo:

I= (1-0.6)/10000= 40 uA

O erro por não levar em consideração a queda de tensão no diodo passa a ser 150%.

Ou seja, a decisão por utilizarmos modelos matemáticos simplificados tem que ser feita com cuidado, pois pode levar a erros muito grosseiros em alguns casos. Mas pode simplificar bastante quando utilizado de forma apropriada. Isto vale para o projeto de todos os circuitos eletrônicos, e não apenas para o caso do diodo em série com o resistor.

Circuitos retificadores de meia onda

O circuito de um retificador de meia onda é uma das aplicações mais convencionais do diodo retificador. Sempre que precisamos alimentar um circuito eletrônico com 6/9 ou 12 volts a partir das chamadas fontes de parede, é bem possível que dentro desta fonte você identifique um transformador , um ou mais diodos e um capacitor. No caso circuitos de meia onda a disposição é a seguinte:

Retificação meia onda

 

Filtrando o sinal de um retificador de meia onda

Podemos ver que a tensão de saída acompanha a tensão de entrada durante meio ciclo e fica em zero no ciclo reverso. Para manter constante a tensão na saída (ou pelo menos variando dentro de limites por nós estabelecidos) precisamos de utilizar um capacitor, que armazena a energia durante o tempo que o circuito está alimentando e a devolve durante o tempo em que o diodo não conduz. Com o uso de um capacitor na saída a tensão fica na seguinte forma:

Retificação meia onda com capacitor de filtro

Observe que a tensão segue a tensão de entrada durante um tempo. Depois, a medida que a tensão de entrada cai seguindo a curva da senoide de 60 Hz o capacitor passa a fornecer a corrente para o circuito de saída. Mas o capacitor vai se descarregando também, até que a tensão de entrada ultrapassa o valor da tensão no capacitor (isto ocorre no próximo ciclo da rede elétrica). Então o capacitor passa a ser carregado pela tensão de entrada.

A variação entre os valores máximos e mínimos da tensão de saída é denominada “ripple”. Geralmente desejamos que esta variação seja a menor possível. Do ponto de vista teórico a solução para isto é muito simples. Basta utilizar um capacitor de valor bem elevado. Com isto a carga armazenada durante o período de condução do diodo será também elevada, e o capacitor conseguirá alimentar o circuito sem problemas durante o tempo de não condução do diodo!

Mas não existe almoço grátis! A um maior valor do capacitor corresponde a necessidade de uma maior corrente para carregar o capacitor. E esta corrente, principalmente o valor de pico que ocorre no momento em que o diodo inicia a condução pode ser bastante grande, e danificar o diodo. Normalmente esta corrente é limitada pela resistência do enrolamento do transformador, mas se esta limitação for muito grande o capacitor não irá se carregar e o resultado não será aquele que desejamos.

O que precisamos definir no projeto de um retificador de meia onda?

No projeto de um circuito deste tipo temos como variável de entrada os seguintes parâmetros.

  • Tensão máxima de saída (Vmax)
  • Tensão mínima de saída (Vmin)
  • Corrente de carga

E queremos saber:

  • Qual é o valor do capacitor que precisamos utilizar
  • Qual é o valor da corrente de pico que teremos sobre o diodo.

Com o valores da tensão máxima e valores da corrente de pico podemos especificar o diodo e o transformador a ser utilizado.

A sequencia de cálculo de um retificador de meia onda é a seguinte:

1- Calcule a variação de tensão permitida

2- Calcule o valor do capacitor que forneça esta variação

3- Calcular corrente de pico no diodo

Um script para cálculo de circuitos retificadores de meia onda

O cálculo destes valores não é difícil e implementamos um script python que faz exatamente isto. Este script está disponível na página de downloads em https://cadernodelaboratorio.com.br/scripts-softwares-e-arquivos-de-configuracao/ , sob o nome pack170828.tar.gz.  A sua utilização é a seguinte:

Copie o arquivo pack170828.tar.gz para um diretório a sua escolha e descomprima neste diretório. Execute o script com o comando:

python3 retMeiaOnda.py

A seguinte tela deve aparecer no seu computador:

Cálculo retificador meia onda

Insira os valores de tensão mínima, tensão máxima e corrente de carga correspondentes ao seu projeto. Pressione o botão “calcule” e os valores do capacitor (em microfarad), da corrente de pico do diodo (em A) e a tensão eficaz de saída do transformador (em V).

Observe como a corrente de pico do diodo é bem grande. A resistência do enrolamento do transofrmador ajuda a limitar esta corrente, mas é um fator importante a ser observado na seleção do dispositivo.

Quanto ao valor do capacitor, você deve escolher um valor comercial imediatamente superior ao valor calculado.

Valores calculados pelo programa

Lembrete final:

Um lembrete aos nossos leitores que se utilizam do tradutor automático para lerem em seus idiomas:

We realize that automatic translated services nowdays are terrible. Non portuguese speakers can have a hard time to understand parts of the translated text. If this is your case, you can ask us in english about anything in the blog. We will answer also in english.

Nos damos cuenta de que los textos traducidos automáticamente tienen sus limitaciones. Los que no hablan portugues pueden tener dificultades para entender parte del texto traducido. Si este es su caso, no dude en preguntarnos en español sobre cualquier informacion del blog. Responderemos también en español (or portuñol, estoy seguro que podremos llegar a entendernos).:-) ).

Até a próxima!

Deixe um comentário