Eletrônica Analógica: Diodos e Retificação de Sinais

Eletrônica Analógica PROF GUILHERME BUTZKE S GERING 2022 DIODOS PARTE V 1 Referências Bibliográficas SEDRA A S KENNETH CARLESS SMITH Microelectronic circuits New York Oxford University Press 2010 BOYLESTAD Robert L NASHELSKY Louis Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 8ª ed São Paulo Pearson 696 p ALBERT PAUL MALVINO BATES D J Electronic principles Boston McgrawHill 2007 2 Valor médio de uma onda Valor médio de uma onda Valor médio de uma onda P V I V²R I² R P MED 1T 0 to T vt²R dt V 1T 0 to T vt² dt Transformadores Valor Eficaz de uma onda Entradas Senoidais Retificação de meia onda Modelo mais simples diodo ideal Possui o diodo em série com o resistor de carga Tensão na carga corresponde à metade da onda inserida na entrada 11 Entradas Senoidais Retificação de meia onda Modelo mais simples diodo ideal Região de condução 0 até T2 12 Entradas Senoidais Retificação de meia onda Modelo mais simples diodo ideal Região de condução T2 até T 13 Entradas Senoidais Retificação de meia onda Modelo mais simples diodo ideal Forma de onda resultante 14 Á𝑟𝑒𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑉𝑑𝑐 0318𝑉𝑚 Entradas Senoidais Retificação de meia onda Modelo mais simples diodo silício Forma de onda resultante 15 Entradas Senoidais Retificação de meia onda 16 RETIFICADOR MEIA ONDA Qnt Diodos Tensão Secundário Tensão Pico Secundário Pico Saída ideal Pico Saída Modelo fonte Valor Médio saída cc Freq ondulação PIV Entradas Senoidais Retificação de meia onda 17 RETIFICADOR MEIA ONDA Qnt Diodos 1 Tensão Secundário 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 Tensão Pico Secundário 𝑣2𝑝 𝑣2𝑟𝑚𝑠 2 Pico Saída ideal 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 Pico Saída Modelo fonte 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 𝑣𝑑 Valor Médio saída cc 𝑣𝑜𝑐𝑐 𝑣𝑜𝑝 𝜋 Freq ondulação 𝑓 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 PIV 𝑃𝐼𝑉 𝑣2𝑝 Entradas Senoidais Retificação de meia onda 18 Entradas Senoidais Retificação de onda completa Outro modelo Usase somente 2 diodos porém há necessidade de um transformador de derivação central 19 Entradas Senoidais Retificação de onda completa Durante o semiciclo positivo aplicado no primário do trafo D1 conduz Durante o semiciclo negativo D2 conduz Observe que a polaridade em R é a mesma 20 Entradas Senoidais Retificação de onda completa 21 Entradas Senoidais Retificação de onda completa 22 Diodos ideais A área acima do eixo agora é o dobro da obtida no retificador de meiaonda Assim o nível dc também é dobrado Entradas Senoidais Retificação de onda completa 23 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Qnt Diodos Tensão Secundário Tensão Pico Secundário Pico Saída ideal Pico Saída Modelo fonte Valor Médio saída cc Freq ondulação PIV Entradas Senoidais Retificação de onda completa 24 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Qnt Diodos 2 Tensão Secundário 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 Tensão Pico Secundário 𝑣2𝑝 𝑣2𝑟𝑚𝑠 2 Pico Saída ideal 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝2 Pico Saída Modelo fonte 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 2 𝑣𝑑 Valor Médio saída cc 𝑣𝑜𝑐𝑐 2𝑣𝑜𝑝 𝜋 Freq ondulação 𝑓 2𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 PIV 𝑃𝐼𝑉 2𝑣2𝑝 𝑣𝑑 Entradas Senoidais Retificação de onda completa 25 Entradas Senoidais Retificador Ponte O nível dc obtido a partir de uma entrada senoidal pode ser melhorado 100 utilizando a retificação de onda completa 26 27 Diodos ideais Entradas Senoidais Retificador Ponte 28 Diodos ideais Entradas Senoidais Retificador Ponte Entradas Senoidais Retificador Ponte 29 Diodos ideais Observar mesma polaridade no R Entradas Senoidais Retificador Ponte 30 Se forem utilizados diodos de silício ao invés de ideais 𝑉𝑑𝑐 0636 𝑉𝑚 2𝑉𝐷 Entradas Senoidais Retificador Ponte 31 Agora a área é o dobro da anterior 𝑉𝑑𝑐 2 0318𝑉𝑚 0636𝑉𝑚 Entradas Senoidais Retificador Ponte 32 E quanto a frequência Entradas Senoidais Retificador Ponte 33 E quanto a frequência Entradas Senoidais Retificador Ponte 34 RETIFICADOR PONTE Qnt Diodos Tensão Secundário Tensão Pico Secundário Pico Saída ideal Pico Saída Modelo fonte Valor Médio saída cc Freq ondulação PIV Entradas Senoidais Retificador Ponte 35 RETIFICADOR PONTE Qnt Diodos 4 Tensão Secundário 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 Tensão Pico Secundário 𝑣2𝑝 𝑣2𝑟𝑚𝑠 2 Pico Saída ideal 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 Pico Saída Modelo fonte 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 2𝑣𝑑 Valor Médio saída cc 𝑣𝑜𝑐𝑐 2𝑣𝑜𝑝 𝜋 Freq ondulação 𝑓 2𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 PIV 𝑃𝐼𝑉 𝑣2𝑝 𝑣𝑑 Entradas Senoidais Retificador Ponte 36 Entradas Senoidais Comparativo 37 RETIFICADOR PONTE RETIFICADOR COM TAP CENTER RETIFICADOR PONTE Qnt Diodos 1 2 4 Tensão Secundário 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 Tensão Pico Secundário 𝑣2𝑝 𝑣2𝑟𝑚𝑠 2 𝑣2𝑝 𝑣2𝑟𝑚𝑠 2 𝑣2𝑝 𝑣2𝑟𝑚𝑠 2 Pico Saída ideal 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝2 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 Pico Saída Modelo fonte 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 𝑣𝑑 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 2 𝑣𝑑 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 2𝑣𝑑 Valor Médio saída cc 𝑣𝑜𝑐𝑐 𝑣𝑜𝑝 𝜋 𝑣𝑜𝑐𝑐 2𝑣𝑜𝑝 𝜋 𝑣𝑜𝑐𝑐 2𝑣𝑜𝑝 𝜋 Freq ondulação 𝑓 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 𝑓 2𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 𝑓 2𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 PIV 𝑃𝐼𝑉 𝑣2𝑝 𝑃𝐼𝑉 2𝑣2𝑝 𝑣𝑑 𝑃𝐼𝑉 𝑣2𝑝 𝑣𝑑 Fontes de tensão Reguladores de Tensão Uma das aplicações mais importantes dos diodos são nos circuitos de retificação Eles formam um dos blocos essenciais de uma fonte CC 38 Fontes de tensão Reguladores de Tensão A fonte é alimentada pela rede elétrica com 127V RMS e 60Hz Esse sinal é retificado e regulado entregando alguns volts à carga A 1ª etapa é a do transformador que faz a redução de tensão entre primário e secundário Ele também faz o isolamento elétrico do circuito eletrônico do circuito de potência da rede 39 Fontes de tensão Reguladores de Tensão A 2ª etapa é a retificação Usualmente diodos são usados para retificar o sinal CA em uma saída pulsante CC 40 O sinal pulsante CC é indesejável para os circuitos eletrônicos que precisam de um sinal de alimentação estável constante Para resolver o problema uma etapa de filtragem e regulação de tensão converte o sinal pulsante em um sinal com alguma ondulação ripple ou constante Fontes de tensão Reguladores de Tensão 41 Em geral a regulação é feita por um CI regulador de tensão que recebe uma tensão CC e fornece um nível ligeiramente menor o qual permanece constante mesmo que a tensão de entrada varie ou a carga conectada mude de valor Fontes de tensão Reguladores de Tensão 42 Fontes de tensão Reguladores de Tensão 43 Retificadores com Filtros Capacitivos 44 Capacitor carrega inicialmente Após a primeira carga ele não tem carga resistor para descarregar Com isso a tensão é constante Retificadores com Filtros Capacitivos 45 O que vamos fazer agora é analisar o circuito anterior com a inserção de carga E devemos lembrar a tensão no capacitor não muda instantaneamente 46 1 Diodo conduz durante um tempo deltat carregando o capacitor com a carga perdida 2 Diodo conduz em tt1 quando vf vc ou vf vcvd A condução para no pico em tt2 3 Na região de corte do diodo o capacitor começa a descarregar com TauRC 4 Durante quase todo o perído T vo vp vr na qual vr é chamada de tensão de ripple 5 Quando CR T vr é pequeno 6 Se vr é pequeno 10 de vo vo é quase constante e próximo ao pico Logo a corrente se aproxima por Il VoccR VopR V2pR no text content found 48 Maneiras de calcular a tensão de ripple 1 As vezes por simplicidade considera se que vr é um valor percentual fixo em relação a carga Por exemplo vr10vo 10 v2p 2 Uma formula mais precisa vocc v2p ½ vr 3 O valor de vr também é encontrado de maneiras aproximadas Uma das mais comuns vr v2pfRC ou vr IL fC 4 Mas existem outras aproximações como Vr 5 Usaremos a primeira fórmula em nossas análises Fontes de tensão Reguladores de Tensão O filtro mais popular utiliza um simples capacitor 49 Fontes de tensão Reguladores de Tensão 50 Fontes de tensão Reguladores de Tensão 51 A forma filtrada é essencialmente uma tensão dc apresentando algum ripple variação ac Fontes de tensão Reguladores de Tensão 52 Tensão de ripple Fontes de tensão Reguladores de Tensão É possível reduzir mais ainda o ripple na saída de um filtro Para isso podemos acrescentar uma seção RC adicional ao filtro Esse RC permite que passe quase toda componente dc e reduz consideravelmente a componente ac 53 Fontes de tensão Reguladores de Tensão 54 Retificadores com Filtros Capacitivos 55 RETIFICADOR PONTE Tensão Pico Secundário Pico Saída ideal Pico Saída Modelo fonte Valor Médio saída cc Valor Médio saída cc Tensao Ripple 1 Tensao Ripple 1 Corrente Média Carga PIV Retificadores com Filtros Capacitivos 56 RETIFICADOR PONTE Tensão Pico Secundário Pico Saída ideal Pico Saída Modelo fonte Valor Médio saída cc Valor Médio saída cc Tensao Ripple 1 Tensao Ripple 1 Corrente Média Carga PIV Retificadores com Filtros Capacitivos 57 RETIFICADOR PONTE Tensão Pico Secundário Pico Saída ideal Pico Saída Modelo fonte Valor Médio saída cc Valor Médio saída cc Tensao Ripple 1 Tensao Ripple 1 Corrente Média Carga PIV Retificadores com Filtros Capacitivos 58 RETIFICADOR PONTE RETIFICADOR COM TAP CENTER RETIFICADOR PONTE Tensão Pico Secundário 𝑣2 𝑣2𝑟𝑚𝑠 Pico Saída ideal 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 Pico Saída Modelo fonte 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 𝑣𝑑 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 2 𝑣𝑑 𝑣𝑜𝑝 𝑣2𝑝 2𝑣𝑑 Tensao Ripple 1 𝑣𝑟 𝑣𝑜𝑝 𝑓𝑅𝑒𝑑𝑒𝑅𝐶 𝑣𝑟 𝑣𝑜𝑝 2𝑓𝑅𝑒𝑑𝑒𝑅𝐶 𝑣𝑟 𝑣𝑜𝑝 2𝑓𝑅𝑒𝑑𝑒𝑅𝐶 Tensao Ripple 1 𝑣𝑜𝑝 𝛼𝑣𝑜𝑝 Valor Médio I saída cc 𝑣𝑜𝑐𝑐 𝑣𝑜𝑝 Valor Médio II saída cc 𝑣𝑜𝑐𝑐 𝑣𝑜𝑝 𝑣𝑟2 Corrente média 𝐼𝑐𝑐 𝑉𝑜𝑐𝑐𝑅 PIV 𝑃𝐼𝑉 2𝑣𝑜𝑝 𝑃𝐼𝑉 𝑣𝑜𝑝 𝑃𝐼𝑉 𝑣𝑜𝑝 𝛼 10 5 CIs Reguladores de Tensão Há uma classe de CIs disponíveis que operam como reguladores de tensão Uma fonte de tensão pode ser implementada utilizandose um transformador conectado à rede ac para que a tensão seja reduzida ao nível de amplitude desejado retificando depois a tensão que sai do transformador filtrando em seguida com um capacitor e um circuito RC e finalmente regulando a tensão dc por meio de um CI regulador 59 Cls Reguladores de Tensão Tensão diferencial saídaentrada Corrente de carga IL Tensão de entrada nãoregulada Vi Amplitude da tensão de entrada GND Tensão de saída regulada Vo Regulação para variação da carga Regulação para variação na rede Fig 1925 Representação em blocos do regulador de tensão de três terminais CIs Reguladores de Tensão O regulador com tensão de saída fixa é alimentado por uma tensão dc não regulada Vi aplicada a um terminal e fornece uma tensão dc regulada Vo em um segundo terminal com o terceiro terminal conectado à terra As especificações do dispositivo indicam a faixa na qual a tensão de entrada pode variar sem que a saída seja alterada 61 CIs Reguladores de Tensão 62 Regulador de tensão positiva fixa Cls Reguladores de Tensão Regulador de tensão L7805 CIs Reguladores de Tensão 64 Fixo Atenua ruído de alta frequência 100 nF CIs Reguladores de Tensão 65 Reguladores de tensão ajustáveis Há reguladores de tensão disponíveis comercialmente que permitem ao usuário ajustar a tensão de saída para um valor desejado O LM317 por exemplo pode ser operado com a tensão de saída regulada em um nível de 125V até 25 V CIs Reguladores de Tensão 66 Reguladores de tensão ajustáveis Os resistores R1 e R2 determinam o valor da tensão em qualquer nível dentro da faixa especificada 125 V até 25 V A tensão de saída é calculada da seguinte forma Tipicamente Vref 125 V Iadj 50 μA CIs Reguladores de Tensão 67 Reguladores de tensão ajustáveis Assim tendose V0 Vref e Iadj conhecidos podese fixar um valor para R1 e determinar o valor da resistência do potenciômetro R2 CIs Reguladores de Tensão 68 Exemplo Projete uma fonte que forneça 8 Vdc fixo com até 05A 125 Vdc até 8 Vdc com até 05A Considere que ambas saídas estarão disponíveis simultaneamente A fonte deve ser alimentada em 127 Vrms Ou seja no seu projeto você deve dimensionar o transformador o circuito retificador o filtro e a parte de regulação de tensão incluindo qual regulador deve ser usado LM317 Cls Reguladores de Tensão 127V N N1 N2 trafo Vz Capacitor de filtro Regulator Iconf Vout 100nf CIs Reguladores de Tensão CIs Reguladores de Tensão Para projetar uma fonte estabilizada com circuito integrado regulador devemos dimensionar os parâmetros que caracterizam o transformador capacitor de filtro diodos e circuito integrado regulador Considerações 1 A maioria dos reguladores necessitam de uma tensão de 3 V superior a tensão regulada Ou seja um regulador com saída de 5 Vdc precisa de uma alimentação de entrada mínima de 8V um de 12 Vdc precisa de 15 V e assim por diante Portanto existe uma tensão Vreg 3V que é a queda de tensão no regulador 71 CIs Reguladores de Tensão Considerações 2 Em um retificador de onda completa existe uma queda de tensão em cada um dos diodos Assim caso o diodo seja de silício existirá uma queda de tensão de 07 V em cada diodo Ge 03V Como existem 2 diodos em condução devemos considerar Vdiodos 14V 3 Cada circuito regulador possui uma saída Vout préestabelecida de acordo com as características do componente Ex CI 7805 possui Vout 5 V CI 7812 possui Vout 12 V o LM317 produz saída variável de 125 V até 25 V etc 72 CIs Reguladores de Tensão 1º passo do projeto Determinar os parâmetros do transformador A tensão no secundário do trafo deve ser escolhida de forma que a tensão em cima do filtro não seja inferior ao valor de alimentação do circuito regulador Portanto a tensão no secundário do transformador deverá levar em conta 73 CIs Reguladores de Tensão Para a fonte do exercício temos a tensão máxima de 8Vdc Vout 8Vdc Vdiodos 14V e Vreg 3V 74 CIs Reguladores de Tensão CIs Reguladores de Tensão o Reg 1 Consiste no regulador para a tensão fixa de 8V LM7808 o Reg 2 Consiste no regulador para a tensão ajustável de 125 V a 8V LM317 Para os parâmetros do LM317 temos 76 Vref 125 V Iadj 50 μA CIs Reguladores de Tensão Voltando para o dimensionamento do trafo Tensão mínima é de 124V Portanto para determinar o trafo escolhemos um valor próximo de 124 V dentre os comerciais existentes 3V 6V 9V 12V 15V 18V 24V Podemos escolher o de 15 V Tensão nominal do transformador 15V Agora definimos a tensão de pico no secundário 77 CIs Reguladores de Tensão 78 Tensão de pico no capacitor CIs Reguladores de Tensão A Tensão mínima nos Terminais do capacitor Vmin Vref Vond Vmin 1281 198 Vmin 1783 Cls Reguladores de Tensão CIs Reguladores de Tensão Essa tensão mínima no capacitor deve ser maior do que a tensão mínima de entrada de cada regulador No caso do LM7808 temos 8V 3V 11V No caso do LM317 temos 8V 3V 11V Ambos os valores são inferiores à tensão mínima do capacitor 81 Valor dado no enunciado Cls Reguladores de Tensão Ajuste de Reg 2 Vout 8V Vout Vref 1 R2R1 Iadj R2 Vout 125 1 R2R1 50µ R2 8 125 1 R2R1 50µ R2 chutando R12400Ω temos 8 125 125 R2240 8 125 526103 R2 R2 128307Ω CIs Reguladores de Tensão 83 Vref 125 V Iadj 50 μA Tabela de Valores Comerciais 10 Ω 10 100 1 kΩ 10 kΩ 1 MΩ 11 11 Ω 110 1 kΩ 11 kΩ 11 MΩ 15 MΩ 12 12 Ω 120 12 kΩ 12 kΩ 12 MΩ 13 13 Ω 130 13 kΩ 13 kΩ 13 MΩ 15 15 Ω 150 15 kΩ 15 kΩ 15 MΩ 16 16 Ω 160 16 kΩ 16 kΩ 16 MΩ 18 18 Ω 180 18 kΩ 18 kΩ 18 MΩ 20 20 Ω 200 2 kΩ 20 kΩ 2 MΩ 22 22 Ω 220 22 kΩ 22 kΩ 22 MΩ 24 24 Ω 240 24 kΩ 24 kΩ 24 MΩ 27 27 Ω 270 27 kΩ 27 kΩ 27 MΩ 30 30 Ω 300 3 kΩ 30 kΩ 3 MΩ 33 33 Ω 330 33 kΩ 33 kΩ 33 MΩ 36 36 Ω 360 36 kΩ 36 kΩ 36 MΩ 39 39 Ω 390 39 kΩ 39 kΩ 39 MΩ 43 43 Ω 430 43 kΩ 43 kΩ 43 MΩ 47 47 Ω 470 47 kΩ 47 kΩ 47 MΩ 51 51 Ω 510 51 kΩ 51 kΩ 51 MΩ 56 56 Ω 560 56 kΩ 56 kΩ 56 MΩ 62 62 Ω 620 62 kΩ 62 kΩ 62 MΩ 68 68 Ω 680 68 kΩ 68 kΩ 68 MΩ 75 75 Ω 750 75 kΩ 75 kΩ 75 MΩ 82 82 Ω 820 82 kΩ 82 kΩ 82 MΩ 91 91 Ω 910 91 kΩ 91 kΩ CIs Reguladores de Tensão 85 15 V 8 V GUILHERMEGERINGPROFESSORMULTIVIXEDUBR Eletrônica Analógica 86