A energia eléctrica é convenientemente transportada e convertida sob a forma de uma tensão alternada. É sob esta forma que é entregue ao consumidor final. Mas muitos dispositivos ainda precisam de tensão DC para serem fornecidos.
Conteúdo
Rectificador em engenharia eléctrica
Os rectificadores são utilizados para converter as correntes alternadas em correntes directas. Este dispositivo é amplamente utilizado e as principais áreas de utilização de rectificadores na engenharia radioeléctrica e eléctrica:
- formação de corrente contínua para instalações eléctricas de potência (subestações de tracção, instalações de electrólise, sistemas síncronos de excitação de geradores) e motores CC potentes;
- fontes de alimentação para dispositivos electrónicos;
- detecção de sinais de rádio modulados;
- Geração de voltagem directa proporcional ao nível do sinal de entrada para a construção de sistemas de controlo de ganho automático.
A gama completa de aplicações para rectificadores é vasta, e não é possível enumerá-las todas numa só visão geral.
Princípios rectificadores
Os dispositivos rectificadores baseiam-se no princípio da condutividade unidireccional dos elementos. Isto pode ser feito de diferentes maneiras. Muitas formas de aplicações industriais são coisa do passado - por exemplo, a utilização de máquinas mecânicas síncronas ou dispositivos de electrovácuo. Actualmente, são utilizadas válvulas que conduzem a corrente para um dos lados. Não há muito tempo, os dispositivos de mercúrio eram utilizados para rectificadores de alta potência. Actualmente, estes foram praticamente substituídos por elementos semicondutores (silício).
Diagramas rectificadores típicos
Os dispositivos rectificadores podem ser construídos de acordo com diferentes princípios. Ao analisar os diagramas rectificadores, deve recordar-se que a tensão à saída de qualquer rectificador só pode ser chamada constante convencionalmente. Esta unidade produz uma tensão unidireccional pulsante, que na maioria dos casos deve ser suavizada por filtros. Alguns consumidores também exigem a estabilização da tensão rectificada.
Rectificadores monofásicos
O rectificador AC mais simples é um único díodo.
Passa a meia onda positiva da onda sinusoidal para o consumidor e "corta" a meia onda negativa.
O âmbito de aplicação de um tal dispositivo é pequeno - principalmente, Rectificadores em fontes de alimentação em modo comutadoO rectificador tem uma gama limitada de aplicações, principalmente em rectificadores para a comutação de fontes de alimentação que operam a frequências relativamente elevadas. Embora forneça corrente que flui numa direcção, tem desvantagens significativas:
- elevado nível de ondulação - seria necessário um condensador grande e pesado para suavizar e produzir uma corrente constante;
- Subutilização da capacidade do transformador de step down (ou step up), levando a um aumento dos requisitos de peso e tamanho;
- A saída média dos CEM é menos de metade da entrada dos CEM;
- requisitos de díodos mais elevados (por outro lado - só é necessária uma válvula).
Por conseguinte, a mais difundida é Circuito duplo meio-período (ponte).
Aqui, a corrente flui através da carga duas vezes por período na mesma direcção:
- A meia-onda positiva ao longo do caminho indicado pelas setas vermelhas;
- a meia-onda negativa ao longo do caminho indicado pelas setas verdes.
A meia onda negativa não se perde e também é utilizada, pelo que a potência do transformador de entrada é utilizada de forma mais completa. A média dos FME é o dobro da versão de meia-onda única. A forma de onda de corrente pulsante está muito mais próxima de uma linha recta, mas ainda é necessário um condensador de suavização. A sua capacidade e dimensões serão menores do que no caso anterior, porque a frequência de ondulação é o dobro da frequência da tensão da rede.
Se houver um transformador com dois enrolamentos idênticos que possam ser ligados em série, ou com o enrolamento a afunilar no meio, um rectificador de duplo meio período pode ser construído num circuito diferente.
Trata-se na realidade de uma duplicação do rectificador de meio período simples, mas tem a vantagem do duplo meio período. A desvantagem é que um transformador deve ser de um desenho específico.
Se o transformador for feito como um amador, não há obstáculo para enrolar o secundário como requerido, mas o ferro deve ser um pouco sobredimensionado. Em vez de 4 díodos, apenas 2 são utilizados. Isto irá compensar a perda de massa e até mesmo o ganho.
Se o rectificador for concebido para corrente elevada e as válvulas tiverem de ser montadas em dissipadores de calor, então a instalação de metade do número de díodos proporciona uma poupança significativa. Note-se também que este rectificador tem o dobro da resistência interna em comparação com um circuito de ponte, pelo que o aquecimento dos enrolamentos do transformador e as perdas associadas serão também mais elevadas.
Rectificadores trifásicos
Do diagrama anterior é lógico passar para um rectificador de tensão trifásica, montado segundo um princípio semelhante.
A forma da tensão de saída é muito mais próxima de uma linha recta, o nível de ondulação é apenas 14%, e a frequência é igual a triplicar a frequência da tensão de rede.
Ainda assim, a fonte deste circuito é um único rectificador de meio período, pelo que muitas das desvantagens não podem ser evitadas mesmo com uma fonte de tensão trifásica. O principal inconveniente é que o transformador não é totalmente utilizado, e o FME médio é de 1.17⋅E2eff (CEM secundário transformador efectivo).
Os melhores parâmetros são dados pelo circuito de ponte trifásica.
Aqui, a amplitude da onda de tensão de saída é a mesma 14%, mas a frequência é igual à frequência inferior da tensão de entrada CA, pelo que a capacidade do condensador do filtro será a menor de todas as opções apresentadas. E o CEM de saída será duas vezes mais elevado do que no circuito anterior.
Este rectificador é utilizado com um transformador de saída com um secundário em estrela, mas a mesma disposição de válvulas será muito menos eficiente quando utilizado com um transformador de saída em delta.
Aqui a amplitude e frequência da ondulação é a mesma que no arranjo anterior. No entanto, o FME médio é um factor de dois a menos do que o do circuito anterior. Por conseguinte, esta ligação é raramente utilizada.
Rectificadores com multiplicação de voltagem
É possível construir um rectificador, cuja tensão de saída é um múltiplo da tensão de entrada. Por exemplo, existem circuitos com voltagem a duplicar:
Aqui, o condensador C1 é carregado durante o meio-ciclo negativo e é comutado em série com a onda positiva da onda sinusoidal de entrada. A desvantagem desta construção é a baixa capacidade de carga do rectificador e o facto de o condensador C2 estar abaixo do dobro do valor de tensão. Portanto, tal esquema é utilizado na engenharia de rádio para rectificar com a duplicação de sinais de baixa potência para detectores de amplitude, como um corpo de medição em circuitos de controlo de ganho automático, etc.
Em engenharia eléctrica e electrónica de potência é utilizada outra variante de circuito duplo.
Um duplicador montado de acordo com o circuito de Latour tem uma grande capacidade de carga. Cada um dos condensadores está sob a tensão de entrada, pelo que em termos de massa e dimensões esta variante também ganha em relação à anterior. O condensador C1 é carregado durante o meio período positivo e o C2 durante o meio período negativo. Os condensadores são ligados em série e em paralelo à carga, pelo que a tensão através da carga é a soma de das tensões dos condensadores carregados. A frequência da ondulação é igual ao dobro da frequência da tensão da linha, e o valor depende de sobre o valor da capacitância. Quanto mais alta a capacidade, mais baixa a ondulação. Também aqui tem de ser encontrado um compromisso razoável.
A desvantagem deste circuito é que um dos terminais de carga não deve ser ligado à terra - neste caso, um dos díodos ou condensadores ficará em curto-circuito.
Este circuito pode ser em cascata várias vezes. Assim, ao repetir duas vezes o princípio de comutação, é possível obter um circuito com quadruplicação de voltagem, etc.
O primeiro condensador do circuito deve ser capaz de suportar a tensão da alimentação, os outros devem suportar o dobro da tensão de alimentação. Todos os portões devem ser classificados para dupla voltagem inversa. Evidentemente, para que o circuito funcione de forma fiável, todos os parâmetros devem ter uma margem de pelo menos 20%.
Se não estiverem disponíveis díodos adequados, estes podem ser ligados em série, o que aumentará a tensão máxima permitida por um múltiplo. Mas paralelamente a cada diodo, devem ser incluídas resistências de equalização. Isto tem de ser feito, pois de outra forma a tensão inversa pode ser distribuída de forma desigual entre os díodos devido à variação dos parâmetros da porta. Isto pode resultar em exceder o valor mais alto para um dos díodos. E se cada elemento da corrente for desviado com uma resistência (a sua classificação deve ser a mesma), então a tensão inversa será distribuída de forma estritamente igual. A resistência de cada resistência deve ser cerca de 10 vezes inferior à resistência inversa do diodo. Neste caso, o efeito de elementos adicionais no funcionamento do circuito será minimizado.
A ligação paralela de díodos neste circuito é dificilmente necessária, as correntes não são elevadas. Mas pode ser útil em outros circuitos rectificadores onde a carga consome muita energia. A ligação paralela multiplica a corrente permissível através da válvula, mas altera a variação dos parâmetros. Como resultado, um diodo pode tomar a mais corrente e não ser capaz de lidar com ela. Para evitar isto, é colocada uma resistência em série com cada diodo.
A classificação da resistência é escolhida de modo a que na corrente máxima a queda de tensão através dela seja de 1 volts. Assim, para uma corrente de 1 A, a resistência deve ser de 1 ohm. A potência, neste caso, deve ser de pelo menos 1 W.
Em teoria, a multiplicidade de voltagem pode ser aumentada até ao infinito. Na prática, lembrar que a capacidade de carga de tais rectificadores diminui acentuadamente a cada etapa adicional. O resultado pode ser uma situação em que a queda de tensão na carga excede a multiplicidade da multiplicação e torna o rectificador inútil. Esta desvantagem é comum a todos esses circuitos.
Muitas vezes estes multiplicadores de tensão são produzidos como um único módulo em bom isolamento. Tais dispositivos têm sido utilizados, por exemplo, para gerar alta tensão em televisores ou osciloscópios com um tubo de raios catódicos como monitor. A duplicação de circuitos utilizando indutores também é conhecida, mas não se generalizou - as peças bobinadas são difíceis de fazer e pouco fiáveis no funcionamento.
Há bastantes esquemas de rectificação disponíveis. Dada a vasta gama de aplicações para esta unidade, é importante abordar conscientemente a selecção do circuito e o cálculo dos elementos. Só então é garantida uma operação longa e fiável.
Artigos relacionados:
