Verificação das propriedades dos retificadores com filtro capacitivo


- Objetivo: Executar a verificação experimental das propriedades dos retificadores de meia-onda e onda completa com e sem filtro capacitivo. 

- Introdução Teórica: Para o desenvolvimento do assunto que será discutido a seguir, é necessária a compreensão de alguns conceitos que farão parte do circuito estudado.
Pretendemos, nesta prática, criar um circuito retificador básico capaz de converter a corrente alternada fornecida pela rede pública em uma corrente contínua sem oscilações de intensidade, apropriada para ser utilizada na alimentação de pequenos circuitos elétricos. 
Sabe-se que a corrente elétrica pode ser alternada ou contínua. Uma corrente contínua é originada por uma fonte de tensão contínua (uma simples diferença de potencial) e flui em um único sentido. Em sua intensidade pode haver variações (que se forem muito acentuadas podem classificar esta corrente como contínua pulsante), mas, em geral, se visa a uniformidade do valor de corrente. A corrente contínua é usada na maioria dos circuitos elétricos, e até poucas variações em sua intensidade podem danificar dispositivos devido ao Efeito Joule. Já a corrente alternada, além de mudar sua intensidade em um curto período de tempo, altera também o seu sentido, sua polaridade, sendo gerada por uma fonte de tensão alternada (que quando automática usa de propriedades magnéticas para alterar seu valor de tensão). O fornecimento de corrente/tensão alternada é mais bem expresso por uma onda senoidal (baseada na função matemática seno), que varia continuamente assumindo todos os valores possíveis em um intervalo delimitado e simétrico. A corrente alternada é utilizada com sucesso no fornecimento de energia elétrica pelas companhias por reduzir a perda de energia, dentre outros fatores. Ora, logo seremos obrigados a converter uma corrente em outra. É esta a utilidade dos circuitos retificadores: converter corrente alternada em contínua. 

Para tal, faremos o uso do transformador (que por si próprio não tem função na retificação da corrente) entre a rede elétrica e o circuito. Isso porque este dispositivo transmite integralmente a energia elétrica entre dois circuitos sem comunicação baseando-se em princípios eletromagnéticos, aumentando ou diminuindo os valores de tensão (que deverá necessariamente ser alternada) gerados pelo circuito que detém a fonte de alimentação. Ele é feito de um núcleo de metal (geralmente o ferro, que possui fortes propriedades eletromagnéticas) em forma de cubo vazado. Em cada uma de suas extremidades se localizam bobinas (enrolamentos de fio condutor) sem comunicações entre si, unidas apenas pelo núcleo metálico. O aumento ou diminuição da tensão no circuito é causado pelo número de espiras em cada bobina. Para o circuito montado nesta prática, deseja-se diminuir a tensão fornecida pela rede pública (aproximadamente 127V RMS) para tensões que possam ser usadas em circuitos eletrônicos comuns. Logo, utilizaremos o chamado transformador abaixador, que possui mais espiras na primeira bobina (denominada enrolamento primário) – que é ligada à rede elétrica pública – do que na segunda bobina (denominada enrolamento secundário), que será ligado ao circuito da prática. O dispositivo usado nesta prática é capaz de converter 127V RMS em 12V RMS (vale lembrar que o valor RMS é o chamado “valor médio quadrático”: o valor de tensão que funciona como melhor simplificação matemática da ação de uma onda senoidal fornecendo tensão, que assume diferentes valores e polaridades), tensão que não causará riscos ao operador. Veja a representação de um circuito com transformador: 


Enfim, um circuito retificador pode ser construído de várias maneiras. Analisaremos aqui o circuito retificador de meia-onda e o de onda completa em ponte. Todos os dois se baseiam nas propriedades do diodo retificador comum, que age como uma chave fechada quando polarizado diretamente (permitindo a passagem de corrente) e como uma chave aberta quando polarizado inversamente (impedindo a passagem da corrente). Além disso, ligaremos em paralelo com o circuito retificador o filtro capacitivo. Este dispositivo nada mais é do que um capacitor, componente constituído de dois terminais metálicos e um dielétrico os separando, especializado em armazenar e descarregar cargas elétricas de acordo com a tensão sobre ele. Esta propriedade de carga e descarga irá diminuir as oscilações da corrente recém-retificada corrente do circuito, que chega a ir de um valor máximo a zero várias vezes (corrente contínua pulsante). Utilizaremos ainda neste circuito um voltímetro especial: o osciloscópio. Ele nos dará, além da medição de tensão em dado componente (como um multímetro comum), a sua forma de onda. A partir daí, poderemos identificar se há uma tensão contínua, alternada, retificada de meia-onda ou onda completa com e sem filtro capacitivo. 

- Diagrama Esquemático: Ao analisar o diagrama abaixo, que mostra um esquema do circuito montado na prática, entende-se melhor o seu funcionamento: 


ESQUEMA 1: 
Diagrama do circuito retificador de onda completa em ponte com e sem filtro capacitivo 

Observamos o já conhecido transformador ligado à rede elétrica pública e ao circuito retificador. Ele abaixa a tensão alternada de 127V RMS (fornecido pela rede elétrica pública) para 12V RMS, que será usada para alimentar o circuito. Portanto, ao medirmos a tensão fornecida pela rede elétrica, obtemos 137V RMS sendo transformados em 13,9V. Esta diferença é aceitável, uma vez que o fornecimento de energia costuma variar. Enfim, os terminais do transformador se conectam a uma associação de quatro diodos retificadores (modelo 1N4007) ligados em forma de quadrado denominada “ponte”. Entre os terminais A e B da ponte se liga o resistor “carga”, cuja corrente se mostrará contínua. Ele representa qualquer circuito possível que precise de uma corrente retificada. Em nosso experimento, este resistor “carga” é variável, chamado de potenciômetro (sua resistência ou dissipação de energia – sua potência – pode ser modificada manualmente). Isto se provará útil mais tarde, ao verificarmos as limitações do filtro capacitivo. Este último, por sua vez, será ligado em paralelo com o resistor para filtrar a tensão retificada, diminuindo suas oscilações. Para entender como o circuito acima retifica uma onda de tensão alternada (e, portanto, senoidal), imagine a forma de onda que sai dos terminais do secundário do transformador como um ciclo: 


Considere a forma de onda que se repete: ela corresponde a um ciclo da tensão alternada. Logo, consideramos um semiciclo a metade positiva ou negativa (em termos de polaridade e conseqüentemente, de sentido da corrente gerado) da onda senoidal. Em um primeiro momento, analisando o semiciclo positivo, observamos a geração de uma corrente de várias intensidades que flui do terminal X do transformador para o Y. No caminho, esta corrente percorre o diodo 1 e é barrada no diodo 4. Isso porque a corrente só flui no sentido anodo-catodo em um diodo retificador (ou seja, em um diodo polarizado diretamente). Prosseguindo, a corrente é novamente barrada (agora no diodo 2) e entra no terminal A, passando no sentido estipulado pelo diagrama no resistor “carga” e no capacitor. Sai pelo terminal B e passa pelo diodo 3 (e não pelos diodos 2 e 4, que já estão cortados dos circuito), retornando ao terminal Y do transformador. Dessa maneira, a tensão sobre o resistor carga repete o primeiro semiciclo da tensão de entrada. Agora, analisando o semiciclo negativo, onde a polarização é invertida e a corrente flui de Y para X, observamos que esta corrente de inúmeras intensidades passa pelo diodo 2 e 4, enquanto os diodos 1 e 3 ficam cortados. Note que, neste processo, a corrente passa pelo mesmo sentido no resistor carga que havia passado durante o semiciclo positivo. Logo, no resistor (e conseqüentemente no capacitor), a corrente não alterna seu sentido sendo, portando, classificada como contínua. Temos o seguinte gráfico de tensão no resistor: 


Obtemos, portanto, uma corrente contínua pulsante. Nesta etapa, mediu-se uma tensão RMS de 11,1V; 63% da tensão de pico – maior valor de tensão atingido pela onda transformada (a medição deste valor apontou 18V). É neste valor em que a tensão deveria ser mantida para ser gerada uma corrente contínua pura. Se o capacitor não estivesse acoplado em paralelo ao resistor, esta seria a forma de onda final. Porém, como o filtro capacitivo está presente, ele se carregará enquanto a tensão estiver aumentando até ao valor de pico. Depois, quando a tensão no resistor começar a diminuir, observar-se-á que o capacitor possuirá uma maior carga armazenada do que a fonte. Desta maneira, ele se descarregará. A descarga do capacitor é demorada em comparação a variação de tensão em uma onda senoidal e só cessará quando a tensão retificada da fonte sobre o resistor ultrapassar o valor de sua carga armazenada (que não será totalmente descarregada), reiniciando o ciclo e o fazendo se carregar novamente. Temos a seguinte forma de onda, que é chamada de onda tensão de ripple (devido às suas pequenas ondulações): 


Apesar deste resultado final de tensão retificada se aproxime melhor a uma tensão gerada por uma bateria (cerca de 95% da tensão de pico), o filtro capacitivo possui limitações: quanto maior for a corrente circulando no circuito, maior será a rapidez com que o capacitor se descarregará. Ou seja, se antes foi dito que o tempo de descarga do capacitor era muito longo comparado às oscilação de uma tensão alternada, este tempo diminuirá se a descarga for feita mais depressa (devido a uma maior corrente), aumentando as ondulações do gráfico. Pela velocidade com que o capacitor descarrega-se, a tensão alternada da fonte não precisará atingir um valor próximo ao seu valor de pico para que o filtro capacitor se carregue novamente – uma tensão menor já basta. Isso fará o gráfico possuir mais valores de tensão e as ondulações serão percebidas. Isto foi testado na prática ao diminuirmos os valores de resistência do potenciômetro, o que gerou um aumento da corrente no circuito e descarregou o capacitor com mais rapidez.

ESQUEMA 2: 
Diagrama do circuito retificador de meia-onda com e sem o filtro capacitivo 

O circuito retificador de meia-onda se diferencia daquele estudado acima pelo número de semiciclos positivos ou negativos: neste, há somente um semiciclo por onda senoidal originalmente gerada, enquanto no retificador de onda completa são encontrados dois semiciclos por onda senoidal. Esta é uma estrutura bem simples, com o resistor “carga” ligado em paralelo com um capacitor (se houver filtro capacitivo) e ligado em série com um diodo semicondutor, que estará cortado (como uma chave aberta, sem conduzir corrente) em um semiciclo da tensão no secundário do transformador e conduzindo (como uma chave fechada, diretamente polarizado) em outro semiciclo. Isso ocorrerá porque em um único período o diodo será polarizado das duas formas. Veja: 


Considerando a forma de onda de entrada no secundário do transformador como uma onda senoidal (já mostrada neste relatório), concluímos que durante o semiciclo positivo o terminal X do transformador estará mais positivo que o terminal Y, polarizando o diodo retificador diretamente e fazendo uma corrente circular de X para Y, passando pelo resistor “carga” e o capacitor. Já no semiciclo negativo, Y está mais positivo do que X polarizando o diodo inversamente. Nessa situação não haverá corrente circulando pelo circuito e a tensão sobre a carga será zero. Dessa forma, temos a seguinte onda de corrente (ou tensão) retificada num circuito retificador de meia-onda (desconsiderando a ação do filtro capacitor): 


Observa-se a obtenção, portando, de corrente e tensão retificadas (por não mudarem de polaridade). Na forma de onda acima foi medido uma tensão RMS de 5,5V (cerca de 30% do valor de pico da tensão). Observa-se, portanto, que o rendimento do retificador de meia-onda é duas vezes menor do que o de onda completa. Supondo a presença do capacitor, o mesmo processo de carga e descarga ocorreria neste retificador e estaria sujeito aos mesmos problemas. Porém, como esta forma de onda há menos semiciclos, o capacitor se descarregaria por mais tempo até voltar a se carregar, causando um gráfico de tensão de ripple um tanto ondulado. Dessa forma, um pequeno aumento de corrente já seria necessário para comprometer a eficiência do filtro capacitivo, como demonstra o gráfico:


- Conclusão: Finalmente, podemos observar uma relação crescente entre a área do gráfico de uma onda gerada por um retificador e seu rendimento, isto é, a proximidade da tensão RMS desta onda ao valor de pico produzido no secundário do transformador determina quão eficiente é o retificador, fato também observável pelo gráfico. Conclui-se que os retificadores com filtro capacitivo são mais eficientes por apresentarem estas características mais ressaltadas e se assemelharem mais a uma corrente contínua pura. Ainda, observa-se que o retificador de onda completa leva vantagem em relação ao de meia-onda por ter o dobro da sua eficiência. Em suma, pode-se dizer que nenhum dos retificadores transformou perfeitamente corrente alternada em corrente contínua nesta prática, apesar de sua eficiência em níveis práticos. 

Autor: Adler Conrado.

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