Retificador - Rectifier

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Um diodo retificador ( retificador controlado de silício ) e hardware de montagem associado. O pesado pino roscado conecta o dispositivo a um dissipador de calor para dissipar o calor.

Um retificador é um dispositivo elétrico que converte a corrente alternada (CA), que inverte a direção periodicamente, em corrente contínua (CC), que flui em apenas uma direção. A operação reversa é realizada pelo inversor .

O processo é conhecido como retificação , pois "endireita" a direção da corrente. Fisicamente, os retificadores assumem várias formas, incluindo diodos de tubo de vácuo , células químicas úmidas, válvulas de arco de mercúrio , pilhas de cobre e placas de óxido de selênio, diodos semicondutores , retificadores controlados por silício e outras chaves semicondutoras baseadas em silício. Historicamente, até mesmo interruptores e motores eletromecânicos síncronos têm sido usados. Os primeiros receptores de rádio, chamados de rádios de cristal , usavam um " bigode de gato " de fio fino pressionando um cristal de galena (sulfeto de chumbo) para servir como um retificador de ponto de contato ou "detector de cristal".

Os retificadores têm muitos usos, mas são freqüentemente encontrados servindo como componentes de fontes de alimentação CC e sistemas de transmissão de energia de corrente contínua de alta tensão . A retificação pode servir em outras funções além de gerar corrente contínua para uso como fonte de energia. Conforme observado, os detectores de sinais de rádio funcionam como retificadores. Em sistemas de aquecimento a gás, a retificação de chama é usada para detectar a presença de uma chama.

Dependendo do tipo de alimentação de corrente alternada e do arranjo do circuito retificador, a tensão de saída pode exigir suavização adicional para produzir uma tensão constante e uniforme. Muitas aplicações de retificadores, como fontes de alimentação para rádio, televisão e equipamentos de informática, requerem uma tensão contínua constante e estável (como seria produzida por uma bateria ). Nessas aplicações, a saída do retificador é suavizada por um filtro eletrônico , que pode ser um capacitor , indutância ou conjunto de capacitores, indutâncias e resistores , possivelmente seguido por um regulador de tensão para produzir uma tensão constante.

Os circuitos mais complexos que realizam a função oposta, que é a conversão de CC em CA, são chamados de inversor .

Dispositivos retificadores

Antes do desenvolvimento dos retificadores semicondutores de silício, eram usados diodos termiônicos de tubo de vácuo e pilhas de retificadores de metal à base de óxido de cobre ou selênio . Com a introdução da eletrônica de semicondutores, os retificadores de válvula de vácuo tornaram-se obsoletos, exceto para alguns entusiastas de equipamentos de áudio de válvula de vácuo . Para retificação de potência de corrente muito baixa a muito alta, diodos semicondutores de vários tipos ( diodos de junção , diodos Schottky , etc.) são amplamente usados.

Outros dispositivos que possuem eletrodos de controle, bem como atuam como válvulas de corrente unidirecional, são usados ​​onde mais do que a simples retificação é necessária - por exemplo, onde a tensão de saída variável é necessária. Os retificadores de alta potência, como os usados ​​na transmissão de corrente contínua de alta tensão , empregam dispositivos semicondutores de silício de vários tipos. São tiristores ou outras chaves de estado sólido de chaveamento controlado, que funcionam efetivamente como diodos para passar a corrente em apenas uma direção.

Circuitos retificadores

Os circuitos retificadores podem ser monofásicos ou multifásicos. A maioria dos retificadores de baixa potência para equipamentos domésticos são monofásicos, mas a retificação trifásica é muito importante para aplicações industriais e para a transmissão de energia como CC (HVDC).

Retificadores monofásicos

Retificação de meia onda

Na retificação de meia onda de uma fonte monofásica, a metade positiva ou negativa da onda CA é passada, enquanto a outra metade é bloqueada. Matematicamente, é uma função escalonada (para passagem positiva, bloco negativo): a passagem positiva corresponde à função de rampa sendo a identidade nas entradas positivas, o bloqueio negativo corresponde a zero nas entradas negativas. Como apenas metade da forma de onda de entrada atinge a saída, a tensão média é menor. A retificação de meia onda requer um único diodo em uma fonte monofásica ou três em uma fonte trifásica . Os retificadores geram uma corrente contínua unidirecional, mas pulsante; os retificadores de meia onda produzem muito mais ondulação do que os retificadores de onda completa, e muito mais filtragem é necessária para eliminar os harmônicos da frequência CA da saída.

Retificador de meia onda

A tensão CC de saída sem carga de um retificador de meia onda ideal para uma tensão de entrada senoidal é:

Onde:

V dc , V av - a tensão CC ou média de saída,
V pico , o valor de pico das tensões de entrada de fase,
V rms , o valor da raiz quadrada média (RMS) da tensão de saída.

Retificação de onda completa

Retificador de onda completa, com tubo de vácuo com dois ânodos.

Um retificador de onda completa converte toda a forma de onda de entrada em uma de polaridade constante (positiva ou negativa) em sua saída. Matematicamente, isso corresponde à função de valor absoluto . A retificação de onda completa converte ambas as polaridades da forma de onda de entrada em CC pulsante (corrente contínua) e produz uma tensão de saída média mais alta. São necessários dois diodos e um transformador com derivação central ou quatro diodos em uma configuração de ponte e qualquer fonte CA (incluindo um transformador sem derivação central). Diodos semicondutores simples, diodos duplos com um cátodo ou ânodo comum e pontes de quatro ou seis diodos são fabricados como componentes únicos.

Retificador de ponte Graetz: um retificador de onda completa com quatro diodos.

Para CA monofásica, se o transformador tiver derivação central, dois diodos consecutivos (cátodo para cátodo ou ânodo para ânodo, dependendo da polaridade de saída necessária) podem formar um retificador de onda completa. São necessárias duas vezes mais voltas no secundário do transformador para obter a mesma tensão de saída do que para um retificador em ponte, mas a potência nominal permanece inalterada.

Retificador de onda completa usando um transformador de derivação central e 2 diodos.

As tensões de saída sem carga média e RMS de um retificador de onda completa monofásico ideal são:

Tubos de vácuo retificadores de diodo duplo muito comuns continham um único cátodo comum e dois ânodos dentro de um único envelope, alcançando retificação de onda completa com saída positiva. O 5U4 e o 80 / 5Y3 (4 pinos) / (octal) foram exemplos populares dessa configuração.

Retificadores trifásicos

Os retificadores monofásicos são comumente usados ​​para fontes de alimentação de equipamentos domésticos. No entanto, para a maioria das aplicações industriais e de alta potência, os circuitos retificadores trifásicos são a norma. Tal como acontece com os retificadores monofásicos, os retificadores trifásicos podem assumir a forma de um circuito de meia onda, um circuito de onda completa usando um transformador com derivação central ou um circuito de ponte de onda completa.

Tiristores são comumente usados ​​no lugar de diodos para criar um circuito que pode regular a tensão de saída. Muitos dispositivos que fornecem corrente contínua, na verdade, geram CA trifásica. Por exemplo, um alternador de automóvel contém seis diodos, que funcionam como um retificador de onda completa para carregar a bateria.

Circuito trifásico de meia onda

Circuito retificador de meia onda trifásico controlado usando tiristores como elementos de comutação, ignorando a indutância de alimentação

Um circuito de ponto médio de meia onda trifásico não controlado requer três diodos, um conectado a cada fase. Este é o tipo mais simples de retificador trifásico, mas sofre de distorção harmônica relativamente alta nas conexões CA e CC. Diz-se que este tipo de retificador tem um número de pulso de três, uma vez que a tensão de saída no lado CC contém três pulsos distintos por ciclo da frequência da rede:

Perfil de tensão DC do retificador de meia onda trifásico M3.jpg

Os valores de pico deste três impulsos de tensão DC são calculados a partir do valor eficaz da tensão de fase de entrada (linha de tensão neutro, 120 V na América do Norte, de 230 V na Europa em funcionamento com corrente eléctrica): . A tensão média de saída sem carga resulta da integral sob o gráfico de uma meia onda positiva com a duração do período de (de 30 ° a 150 °):

⇒ ⇒ ≈ 1,17 ⋅

Circuito trifásico de onda completa usando transformador com derivação central

Circuito retificador de onda completa trifásico controlado usando tiristores como os elementos de comutação, com um transformador com derivação central, ignorando a indutância da alimentação

Se a alimentação CA for alimentada por um transformador com uma derivação central, um circuito retificador com desempenho harmônico aprimorado pode ser obtido. Este retificador agora requer seis diodos, um conectado a cada extremidade de cada enrolamento secundário do transformador. Este circuito tem um número de pulso de seis e, na verdade, pode ser considerado um circuito de meia onda de seis fases.

Antes dos dispositivos de estado sólido se tornarem disponíveis, o circuito de meia onda e o circuito de onda completa usando um transformador com derivação central eram muito comumente usados ​​em retificadores industriais usando válvulas de arco de mercúrio . Isso acontecia porque as três ou seis entradas de alimentação CA podiam ser alimentadas a um número correspondente de eletrodos anódicos em um único tanque, compartilhando um cátodo comum.

Com o advento dos diodos e tiristores, esses circuitos tornaram-se menos populares e o circuito de ponte trifásico tornou-se o circuito mais comum.

Retificador de ponte trifásico não controlado

Alternador automotivo desmontado , mostrando os seis diodos que compõem uma ponte retificadora trifásica de onda completa.

Para um retificador de ponte trifásico não controlado, seis diodos são usados ​​e o circuito novamente tem um número de pulso de seis. Por esse motivo, também é comumente referido como uma ponte de seis pulsos. O circuito B6 pode ser visto simplificado como uma conexão em série de dois circuitos centrais de três pulsos.

Para aplicações de baixa potência, diodos duplos em série, com o ânodo do primeiro diodo conectado ao cátodo do segundo, são fabricados como um único componente para essa finalidade. Alguns diodos duplos disponíveis comercialmente têm todos os quatro terminais disponíveis para que o usuário possa configurá-los para uso com alimentação dividida monofásica, meia ponte ou retificador trifásico.

Para aplicações de alta potência, um único dispositivo discreto é geralmente usado para cada um dos seis braços da ponte. Para as potências mais altas, cada braço da ponte pode consistir em dezenas ou centenas de dispositivos separados em paralelo (onde uma corrente muito alta é necessária, por exemplo, na fundição de alumínio ) ou em série (onde são necessárias tensões muito altas, por exemplo, em transmissão de energia de corrente contínua de alta tensão ).

Circuito retificador de ponte de onda completa trifásico controlado (B6C) usando tiristores como elementos de comutação, ignorando a indutância da alimentação. Os tiristores pulsam na ordem V1 – V6.

A tensão CC pulsante resulta das diferenças das tensões de fase positiva e negativa instantâneas , com deslocamento de fase em 30 °:

Perfil de tensão DC do retificador de onda completa trifásico B6.jpg

A tensão de saída média ideal sem carga do circuito B6 resulta da integral sob o gráfico de um pulso de tensão DC com a duração do período de (de 60 ° a 120 °) com o valor de pico :

⇒ ⇒ ≈ 2,34 ⋅
Entrada CA trifásica, formas de onda de saída CC retificadas de meia onda e onda completa

Se o retificador de ponte trifásico é operado simetricamente (como tensão de alimentação positiva e negativa), o ponto central do retificador no lado da saída (ou o chamado potencial de referência isolado) oposto ao ponto central do transformador (ou o neutro condutor) tem uma diferença de potencial na forma de uma tensão triangular de modo comum . Por esta razão, esses dois centros nunca devem ser conectados um ao outro, caso contrário, fluiriam correntes de curto-circuito. O aterramento da ponte retificadora trifásica em operação simétrica é então desacoplado do condutor neutro ou do aterramento da tensão da rede. Alimentado por um transformador, o aterramento do ponto central da ponte é possível, desde que o enrolamento secundário do transformador esteja eletricamente isolado da tensão da rede e o ponto estrela do enrolamento secundário não esteja aterrado. Nesse caso, entretanto, correntes de fuga (desprezíveis) estão fluindo sobre os enrolamentos do transformador.

A tensão de modo comum é formada a partir dos respectivos valores médios das diferenças entre as tensões de fase positiva e negativa, que formam a tensão CC pulsante. O valor de pico da tensão delta é igual a ¼ do valor de pico da tensão de entrada de fase e é calculado com menos metade da tensão DC a 60 ° do período:

= · 0,25

O valor RMS da tensão de modo comum é calculado a partir do fator de forma para oscilações triangulares:

Se o circuito é operado assimetricamente (como uma tensão de alimentação simples com apenas um pólo positivo), ambos os pólos positivo e negativo (ou o potencial de referência isolado) estão pulsando opostos ao centro (ou terra) da tensão de entrada de forma análoga ao positivo e formas de onda negativas das tensões de fase. No entanto, as diferenças nas tensões de fase resultam na tensão CC de seis pulsos (ao longo de um período). A separação estrita do centro do transformador do pólo negativo (caso contrário, as correntes de curto-circuito fluirão) ou um possível aterramento do pólo negativo quando alimentado por um transformador de isolamento aplica-se correspondentemente à operação simétrica.

Retificador de ponte trifásico controlado

O retificador de ponte trifásico controlado usa tiristores no lugar de diodos. A tensão de saída é reduzida pelo fator cos (α):

Ou, expresso em termos de tensão de entrada de linha para linha:

Onde:

V LLpeak , o valor de pico das tensões de entrada de linha para linha,
V pico , o valor de pico das tensões de entrada de fase (linha para neutro),
α, ângulo de disparo do tiristor (0 se os diodos forem usados ​​para realizar a retificação)

As equações acima são válidas apenas quando nenhuma corrente é extraída da alimentação CA ou no caso teórico quando as conexões da alimentação CA não têm indutância. Na prática, a indutância da alimentação causa uma redução da tensão de saída CC com o aumento da carga, normalmente na faixa de 10 a 20% com carga total.

O efeito da indutância de fornecimento é retardar o processo de transferência (chamado comutação) de uma fase para a próxima. Como resultado disso, a cada transição entre um par de dispositivos, há um período de sobreposição durante o qual três (em vez de dois) dispositivos na ponte conduzem simultaneamente. O ângulo de sobreposição é geralmente referido pelo símbolo μ (ou u) e pode ser de 20 a 30 ° com carga total.

Com a indutância de alimentação levada em consideração, a tensão de saída do retificador é reduzida para:

O ângulo de sobreposição μ está diretamente relacionado à corrente DC, e a equação acima pode ser re-expressa como:

Onde:

L c , a indutância de comutação por fase
I d , a corrente contínua
Retificador de ponte de Graetz trifásico em alfa = 0 ° sem sobreposição
Retificador de ponte Graetz trifásico em alfa = 0 ° com ângulo de sobreposição de 20 °
Retificador de ponte Graetz trifásico controlado em alfa = 20 ° com ângulo de sobreposição de 20 °
Retificador de ponte Graetz trifásico controlado em alfa = 40 ° com ângulo de sobreposição de 20 °

Ponte de doze pulsos

Retificador de ponte de doze pulsos usando tiristores como elementos de comutação. Uma ponte de seis pulsos consiste em tiristores de números pares, a outra é o conjunto de números ímpares.

Embora melhores do que retificadores monofásicos ou retificadores trifásicos de meia onda, os circuitos retificadores de seis pulsos ainda produzem considerável distorção harmônica nas conexões CA e CC. Para retificadores de potência muito alta, geralmente é usada a conexão em ponte de doze pulsos. Uma ponte de doze pulsos consiste em dois circuitos de ponte de seis pulsos conectados em série, com suas conexões CA alimentadas por um transformador de alimentação que produz um deslocamento de fase de 30 ° entre as duas pontes. Isso cancela muitos dos harmônicos característicos que as pontes de seis pulsos produzem.

A mudança de fase de 30 graus é geralmente obtida usando um transformador com dois conjuntos de enrolamentos secundários, um em estrela (estrela) e outro em delta.

Retificadores multiplicadores de tensão

Ponte completa comutável / dobrador de tensão.

O retificador de meia onda simples pode ser construído em duas configurações elétricas com os diodos apontando em direções opostas, uma versão conecta o terminal negativo da saída diretamente à fonte CA e a outra conecta o terminal positivo da saída direto à fonte CA . Combinando ambos com suavização de saída separada, é possível obter uma tensão de saída de quase o dobro do pico de tensão de entrada CA. Isso também fornece uma derivação no meio, que permite o uso de um circuito como uma fonte de alimentação de barramento dividido.

Uma variante disso é usar dois capacitores em série para a suavização de saída em um retificador de ponte e, em seguida, colocar uma chave entre o ponto médio desses capacitores e um dos terminais de entrada CA. Com a chave aberta, este circuito atua como uma ponte retificadora normal. Com a chave fechada, ele atua como um retificador de duplicação de tensão. Em outras palavras, isso torna mais fácil derivar uma tensão de aproximadamente 320 V (± 15%, aprox.) DC de qualquer fonte de alimentação de 120 V ou 230 V no mundo, isso pode então ser alimentado em um modo comutado relativamente simples fonte de alimentação . Porém, para uma dada ondulação desejada, o valor de ambos os capacitores deve ser duas vezes o valor do único necessário para uma ponte retificadora normal; quando a chave está fechada cada um deve filtrar a saída de um retificador de meia onda, e quando a chave está aberta os dois capacitores são conectados em série com um valor equivalente a metade de um deles.

Multiplicador de tensão Cockcroft Walton

Díodos em cascata e estágios de capacitor podem ser adicionados para fazer um multiplicador de tensão ( circuito Cockroft-Walton ). Esses circuitos são capazes de produzir um potencial de tensão de saída CC até cerca de dez vezes o pico de tensão de entrada CA, na prática limitado pela capacidade de corrente e problemas de regulação de tensão. Multiplicadores de tensão de diodo, frequentemente usados ​​como um estágio de reforço posterior ou fonte primária de alta tensão (HV), são usados ​​em fontes de alimentação de laser HV, dispositivos de alimentação como tubos de raios catódicos (CRT) (como aqueles usados ​​em televisão, radar e sonar baseados em CRT monitores), dispositivos de amplificação de fótons encontrados em tubos de intensificação de imagem e fotomultiplicadores (PMT) e dispositivos de radiofrequência (RF) baseados em magnetrons usados ​​em transmissores de radar e fornos de microondas. Antes da introdução da eletrônica de semicondutores, os receptores de tubo a vácuo sem transformador alimentados diretamente de energia CA às vezes usavam dobradores de tensão para gerar cerca de 300 VCC de uma linha de energia de 100–120 V.

Quantificação de retificadores

Várias taxas são usadas para quantificar a função e o desempenho dos retificadores ou de sua saída, incluindo o fator de utilização do transformador (TUF), taxa de conversão ( η ), fator de ondulação, fator de forma e fator de pico. As duas medidas principais são a tensão CC (ou deslocamento) e a tensão pico a pico, que são componentes constituintes da tensão de saída.

Taxa de conversão

Taxa de conversão (também chamada de "taxa de retificação" e, confusamente, "eficiência") η é definida como a razão entre a potência de saída CC e a potência de entrada da fonte CA. Mesmo com retificadores ideais, a proporção é inferior a 100% porque parte da potência de saída é CA em vez de CC, que se manifesta como ondulação sobreposta na forma de onda CC. A relação pode ser melhorada com o uso de circuitos de suavização que reduzem a ondulação e, portanto, reduzem o conteúdo de CA da saída. A taxa de conversão é reduzida por perdas nos enrolamentos do transformador e dissipação de energia no próprio elemento retificador. Essa relação tem pouca importância prática porque um retificador é quase sempre seguido por um filtro para aumentar a tensão CC e reduzir a ondulação. Em algumas aplicações trifásicas e multifásicas, a taxa de conversão é alta o suficiente para que o circuito de suavização seja desnecessário. Em outros circuitos, como circuitos de aquecedor de filamento em eletrônicos de tubo de vácuo, onde a carga é quase inteiramente resistiva, o circuito de suavização pode ser omitido porque os resistores dissipam a energia CA e CC, de forma que nenhuma energia é perdida.

Para um retificador de meia onda, a proporção é muito modesta.

(os divisores são 2 em vez de 2 porque nenhuma energia é fornecida no meio-ciclo negativo)

Assim, a taxa de conversão máxima para um retificador de meia onda é,

Da mesma forma, para um retificador de onda completa,

Os retificadores trifásicos, especialmente os retificadores de onda completa trifásicos, têm taxas de conversão muito maiores porque a ondulação é intrinsecamente menor.

Para um retificador de meia onda trifásico,

Para um retificador de onda completa trifásico,

Taxa de utilização do transformador

O fator de utilização do transformador (TUF) de um circuito retificador é definido como a relação entre a potência CC disponível no resistor de entrada e a classificação CA da bobina de saída de um transformador.

A classificação do transformador pode ser definida como:

Queda de tensão do retificador

Um retificador real cai caracteristicamente parte da tensão de entrada (uma queda de tensão , para dispositivos de silício, de normalmente 0,7 volts mais uma resistência equivalente, em geral não linear) - e em altas frequências, distorce as formas de onda de outras maneiras. Ao contrário de um retificador ideal, ele dissipa alguma potência.

Um aspecto da maior parte da retificação é uma perda da tensão de entrada de pico para a tensão de saída de pico, causada pela queda de tensão embutida nos diodos (cerca de 0,7 V para diodos de junção p – n de silício comuns e 0,3 V para diodos Schottky ). A retificação de meia onda e a retificação de onda completa usando um secundário com derivação central produz uma perda de tensão de pico de uma queda de diodo. A retificação da ponte tem uma perda de duas gotas de diodo. Isso reduz a tensão de saída e limita a tensão de saída disponível se uma tensão alternada muito baixa precisar ser retificada. Como os diodos não conduzem abaixo desta tensão, o circuito só passa a corrente por uma parte de cada meio-ciclo, fazendo com que segmentos curtos de tensão zero (onde a tensão de entrada instantânea esteja abaixo de uma ou duas quedas de diodo) apareçam entre cada "salto "

A perda de pico é muito importante para retificadores de baixa tensão (por exemplo, 12 V ou menos), mas é insignificante em aplicações de alta tensão, como sistemas de transmissão de energia HVDC.

Distorção harmônica

Cargas não lineares, como retificadores, produzem harmônicos de corrente da frequência da fonte no lado CA e harmônicos de tensão da frequência da fonte no lado CC, devido ao comportamento de comutação.

Suavização da saída do retificador

A entrada CA (amarela) e a saída CC (verde) de um retificador de meia onda com um capacitor de suavização. Observe a ondulação no sinal DC.

Embora a retificação de meia onda e onda completa forneça corrente unidirecional, nenhuma produz uma tensão constante. Há um grande componente de ondulação CA na frequência da fonte para um retificador de meia onda e duas vezes a frequência da fonte para um retificador de onda completa. A tensão de ondulação é geralmente especificada pico a pico. A produção de CC estável a partir de uma fonte CA retificada requer um circuito ou filtro de suavização . Em sua forma mais simples, pode ser apenas um capacitor (também chamado de filtro, reservatório ou capacitor de suavização), indutor, resistor, diodo e resistor Zener ou regulador de tensão colocado na saída do retificador. Na prática, a maioria dos filtros de suavização utiliza vários componentes para reduzir com eficiência a ondulação da tensão a um nível tolerável pelo circuito.

Retificador de ponte de diodo de onda completa com filtro paralelo RC shunt

O capacitor do filtro libera sua energia armazenada durante a parte do ciclo CA quando a fonte CA não fornece energia, ou seja, quando a fonte CA muda sua direção de fluxo de corrente.

Desempenho com fonte de baixa impedância

Reservoircapidealised.gif

O diagrama acima mostra o desempenho do reservatório de uma fonte de impedância quase zero , como uma fonte de alimentação. Conforme a tensão do retificador aumenta, ele carrega o capacitor e também fornece corrente para a carga. No final do quarto de ciclo, o capacitor é carregado com seu valor de pico Vp da tensão do retificador. Em seguida, a tensão do retificador começa a diminuir para seu valor mínimo Vmin à medida que entra no próximo quarto de ciclo. Isso inicia a descarga do capacitor através da carga.

O tamanho do capacitor C é determinado pela quantidade de ondulação r que pode ser tolerada, onde r = (Vp-Vmin) / Vp.

Esses circuitos são frequentemente alimentados por transformadores e têm uma resistência significativa . A resistência do transformador modifica a forma de onda do capacitor do reservatório, altera a tensão de pico e apresenta problemas de regulação.

Filtro de entrada do capacitor

Para uma determinada carga, o dimensionamento de um capacitor de suavização é uma compensação entre reduzir a tensão de ondulação e aumentar a corrente de ondulação. A corrente de pico é definida pela taxa de aumento da tensão de alimentação na borda ascendente da onda senoidal de entrada, reduzida pela resistência dos enrolamentos do transformador. Correntes de alta ondulação aumentam as perdas de I 2 R (na forma de calor) nos enrolamentos do capacitor, retificador e transformador e podem exceder a ampacidade dos componentes ou a classificação VA do transformador. Os retificadores de tubo de vácuo especificam a capacitância máxima do capacitor de entrada, e os retificadores de diodo SS também têm limitações de corrente. Capacitores para esta aplicação precisam de baixo ESR , ou a ondulação da corrente pode superaquecê-los. Para limitar a tensão de ondulação a um valor especificado, o tamanho do capacitor necessário é proporcional à corrente de carga e inversamente proporcional à frequência de alimentação e ao número de picos de saída do retificador por ciclo de entrada. A saída retificada de onda completa requer um capacitor menor porque é o dobro da frequência da saída retificada de meia onda. Para reduzir a ondulação a um limite satisfatório com apenas um único capacitor, muitas vezes seria necessário um capacitor de tamanho impraticável. Isso ocorre porque a taxa de ondulação da corrente de um capacitor não aumenta linearmente com o tamanho e também pode haver limitações de altura. Para aplicações de alta corrente, bancos de capacitores são usados.

Filtro de entrada de bloqueio

Também é possível colocar a forma de onda retificada em um filtro de entrada de choke . A vantagem desse circuito é que a forma de onda da corrente é mais suave: a corrente é desenhada ao longo de todo o ciclo, em vez de ser desenhada em pulsos nos picos de tensão CA a cada meio ciclo, como em um filtro de entrada do capacitor. A desvantagem é que a saída de tensão é muito mais baixa - a média de um meio-ciclo CA em vez do pico; isso é cerca de 90% da tensão RMS versus vezes a tensão RMS (sem carga) para um filtro de entrada do capacitor. Compensando isso, há uma regulação de tensão superior e uma corrente disponível mais alta, o que reduz a tensão de pico e as demandas de ondulação de corrente nos componentes da fonte de alimentação. Indutores requerem núcleos de ferro ou outros materiais magnéticos e adicionam peso e tamanho. Seu uso em fontes de alimentação para equipamentos eletrônicos diminuiu, portanto, em favor de circuitos semicondutores, como reguladores de tensão.

Resistor como filtro de entrada

Nos casos em que a tensão de ondulação é insignificante, como carregadores de bateria, o filtro de entrada pode ser um resistor em série única para ajustar a tensão de saída para aquela exigida pelo circuito. Um resistor reduz a tensão de saída e a tensão de ondulação proporcionalmente. Uma desvantagem de um filtro de entrada de resistor é que ele consome energia na forma de calor residual que não está disponível para a carga, por isso é empregado apenas em circuitos de baixa corrente.

Filtros de ordem superior e em cascata

Para reduzir ainda mais a ondulação, o elemento de filtro inicial pode ser seguido por séries alternadas adicionais e componentes de filtro de derivação, ou por um regulador de tensão. Os componentes do filtro em série podem ser resistores ou bloqueadores; elementos shunt podem ser resistores ou capacitores. O filtro pode aumentar a tensão DC, bem como reduzir a ondulação. Os filtros são frequentemente construídos a partir de pares de componentes em série / shunt chamados seções RC (resistor em série, capacitor em shunt) ou LC (bobina em série, capacitor em shunt). Duas geometrias de filtro comuns são conhecidas como filtros Pi (capacitor, choke, capacitor) e T (choke, capacitor, choke). Às vezes, os elementos da série são resistores - porque os resistores são menores e mais baratos - quando uma saída CC mais baixa é desejável ou permitida. Outro tipo de geometria de filtro especial é um filtro ressonante em série ou filtro afinado. Ao contrário das outras geometrias de filtro que são filtros passa-baixa, um filtro de choke ressonante é um filtro de parada de banda: é uma combinação paralela de choke e capacitor que ressoa na frequência da tensão ondulada, apresentando uma impedância muito alta para a ondulação . Ele pode ser seguido por um capacitor shunt para completar o filtro.

Reguladores de tensão

Uma alternativa mais comum para componentes de filtro adicionais, se a carga CC requer tensão de ondulação muito baixa, é seguir o filtro de entrada com um regulador de tensão. Um regulador de tensão opera em um princípio diferente de um filtro, que é essencialmente um divisor de tensão que desvia a tensão na frequência de ondulação para longe da carga. Em vez disso, um regulador aumenta ou diminui a corrente fornecida à carga para manter uma tensão de saída constante.

Um regulador de tensão de derivação passiva simples pode consistir em um resistor em série para reduzir a tensão da fonte ao nível necessário e uma derivação de diodo Zener com tensão reversa igual à tensão definida. Quando a tensão de entrada aumenta, o diodo descarrega a corrente para manter a tensão de saída definida. Este tipo de regulador é normalmente empregado apenas em circuitos de baixa tensão e baixa corrente porque os diodos Zener têm limitações de tensão e corrente. Também é muito ineficiente, pois despeja o excesso de corrente, que não está disponível para a carga.

Uma alternativa mais eficiente para um regulador de tensão shunt é um circuito regulador de tensão ativo . Um regulador ativo emprega componentes reativos para armazenar e descarregar energia, de modo que a maior parte ou toda a corrente fornecida pelo retificador seja passada para a carga. Ele também pode usar feedback negativo e positivo em conjunto com pelo menos um componente de amplificação de voltagem como um transistor para manter a voltagem de saída quando a voltagem da fonte cair. O filtro de entrada deve evitar que as baixas da ondulação caiam abaixo da tensão mínima exigida pelo regulador para produzir a tensão de saída necessária. O regulador serve para reduzir significativamente a ondulação e para lidar com variações nas características de abastecimento e carga.

Formulários

A principal aplicação dos retificadores é derivar energia CC de uma fonte CA (conversor CA para CC). Retificadores são usados ​​dentro das fontes de alimentação de praticamente todos os equipamentos eletrônicos. As fontes de alimentação AC / DC podem ser amplamente divididas em fontes de alimentação lineares e fontes de alimentação comutadas . Nessas fontes de alimentação, o retificador estará em série seguindo o transformador e será seguido por um filtro de suavização e possivelmente um regulador de tensão.

Converter a energia DC de uma voltagem para outra é muito mais complicado. Um método de conversão DC para DC converte primeiro a energia em AC (usando um dispositivo chamado inversor ), depois usa um transformador para alterar a tensão e, finalmente, retifica a energia de volta para DC. Uma frequência típica de várias dezenas de quilohertz é usada, pois isso requer indutância muito menor do que em frequências mais baixas e evita o uso de unidades pesadas, volumosas e caras com núcleo de ferro. Outro método de conversão de tensões DC usa uma bomba de carga , usando comutação rápida para alterar as conexões dos capacitores; esta técnica é geralmente limitada a fontes de até alguns watts, devido ao tamanho dos capacitores necessários.

Tensão de saída de um retificador de onda completa com tiristores controlados

Retificadores também são usados ​​para detecção de sinais de rádio modulados em amplitude . O sinal pode ser amplificado antes da detecção. Caso contrário, um diodo de queda de tensão muito baixa ou um diodo polarizado com uma tensão fixa deve ser usado. Ao usar um retificador para demodulação, o capacitor e a resistência de carga devem ser cuidadosamente combinados: uma capacitância muito baixa faz a portadora de alta frequência passar para a saída e muito alta faz com que o capacitor apenas carregue e permaneça carregado.

Retificadores fornecem tensão polarizada para soldagem . Em tais circuitos, é necessário o controle da corrente de saída; isso às vezes é conseguido substituindo alguns dos diodos em uma ponte retificadora por tiristores , efetivamente diodos cuja saída de tensão pode ser regulada ligando e desligando com controladores de fase .

Tiristores são usados ​​em várias classes de sistemas de material rodante ferroviário para que o controle preciso dos motores de tração possa ser alcançado. Tiristores de desligamento de portão são usados ​​para produzir corrente alternada de uma fonte CC, por exemplo, nos trens Eurostar para alimentar os motores de tração trifásicos.

Tecnologias de retificação

Eletromecânica

Antes de cerca de 1905, quando os retificadores do tipo tubo foram desenvolvidos, os dispositivos de conversão de energia eram puramente eletromecânicos em design. Os retificadores mecânicos usavam alguma forma de rotação ou vibração ressonante conduzida por eletroímãs, que operavam um interruptor ou comutador para reverter a corrente.

Esses retificadores mecânicos eram barulhentos e exigiam altos requisitos de manutenção. As partes móveis apresentavam atrito, o que exigia lubrificação e substituição devido ao desgaste. A abertura de contatos mecânicos sob carga resultou em arcos elétricos e faíscas que aqueceram e corroeram os contatos. Eles também não eram capazes de lidar com frequências AC acima de vários milhares de ciclos por segundo.

Retificador síncrono

Para converter corrente alternada em corrente contínua em locomotivas elétricas , pode-se usar um retificador síncrono. Ele consiste em um motor síncrono que aciona um conjunto de contatos elétricos de alta resistência. O motor gira no tempo com a frequência CA e periodicamente inverte as conexões com a carga no momento em que a corrente senoidal passa por um cruzamento zero. Os contatos não precisam comutar uma grande corrente, mas devem ser capazes de transportar uma grande corrente para alimentar os motores de tração CC da locomotiva .

Retificador vibratório

Um vibrador carregador de bateria a partir de 1922. Produziu 6 Um DC a 6 V para carregar baterias de automóveis.

Estes consistiam em uma palheta ressonante , vibrada por um campo magnético alternado criado por um eletroímã CA , com contatos que invertiam a direção da corrente nos meios ciclos negativos. Eles foram usados ​​em dispositivos de baixa potência, como carregadores de bateria , para retificar a baixa tensão produzida por um transformador redutor. Outro uso era em fontes de alimentação de bateria para rádios de tubo a vácuo portáteis, para fornecer alta tensão DC para os tubos. Eles operavam como uma versão mecânica dos modernos inversores de comutação de estado sólido , com um transformador para aumentar a tensão da bateria e um conjunto de contatos vibradores no núcleo do transformador, operados por seu campo magnético, para interromper repetidamente a corrente da bateria CC para criar um pulsando AC para alimentar o transformador. Então, um segundo conjunto de contatos retificadores no vibrador retificou a alta tensão CA do transformador secundário para CC.

Conjunto motor-gerador

Um pequeno conjunto motor-gerador

Um conjunto motor-gerador , ou conversor rotativo semelhante , não é estritamente um retificador, pois não retifica realmente a corrente, mas gera CC de uma fonte CA. Em um "conjunto MG", o eixo de um motor CA é mecanicamente acoplado ao de um gerador CC . O gerador CC produz correntes alternadas multifásicas em seus enrolamentos de armadura , que um comutador no eixo da armadura converte em uma saída de corrente contínua; ou um gerador homopolar produz uma corrente contínua sem a necessidade de um comutador. Conjuntos MG são úteis para produzir DC para motores de tração ferroviária, motores industriais e outras aplicações de alta corrente, e eram comuns em muitos usos DC de alta potência (por exemplo, projetores de lâmpada de arco de carbono para cinemas ao ar livre) antes que os semicondutores de alta potência se tornassem amplamente disponível.

Eletrolítico

O retificador eletrolítico era um dispositivo do início do século XX que não é mais usado. Uma versão caseira é ilustrada no livro The Boy Mechanic, de 1913, mas seria adequada para uso apenas em tensões muito baixas, devido à baixa tensão de ruptura e ao risco de choque elétrico . Um dispositivo mais complexo deste tipo foi patenteado por GW Carpenter em 1928 (Patente US 1671970).

Quando dois metais diferentes estão suspensos em uma solução eletrolítica, a corrente contínua fluindo em um caminho através da solução vê menos resistência do que na outra direção. Os retificadores eletrolíticos mais comumente usam um ânodo de alumínio e um cátodo de chumbo ou aço, suspensos em uma solução de orto-fosfato de tri-amônio.

A ação de retificação é devida a uma fina camada de hidróxido de alumínio no eletrodo de alumínio, formada pela aplicação inicial de uma forte corrente à célula para formar o revestimento. O processo de retificação é sensível à temperatura e, para melhor eficiência, não deve operar acima de 30 ° C (86 ° F). Há também uma tensão de ruptura onde o revestimento é penetrado e a célula entra em curto-circuito. Os métodos eletroquímicos costumam ser mais frágeis do que os métodos mecânicos e podem ser sensíveis às variações de uso, que podem alterar drasticamente ou interromper completamente os processos de retificação.

Dispositivos eletrolíticos semelhantes foram usados ​​como pára-raios na mesma época, suspendendo muitos cones de alumínio em um tanque de solução de orto-fosfato de tri-amônio. Ao contrário do retificador acima, apenas eletrodos de alumínio foram usados, e usados ​​em CA, não havia polarização e, portanto, nenhuma ação do retificador, mas a química era semelhante.

O moderno capacitor eletrolítico , um componente essencial da maioria das configurações do circuito retificador, também foi desenvolvido a partir do retificador eletrolítico.

Tipo de plasma

O desenvolvimento da tecnologia de tubo de vácuo no início do século 20 resultou na invenção de vários retificadores do tipo tubo, que substituíram em grande parte os retificadores mecânicos ineficientes e barulhentos.

Arco de mercúrio

Tubo retificador de vapor de mercúrio industrial inicial de 3 fases
A válvula de arco de mercúrio de 150 kV na usina hidrelétrica de Manitoba , em Radisson, Canadá, converteu a energia hidrelétrica CA em CC para transmissão a cidades distantes.

Um retificador usado em sistemas de transmissão de energia de corrente contínua de alta tensão (HVDC) e processamento industrial entre cerca de 1909 a 1975 é um retificador de arco de mercúrio ou válvula de arco de mercúrio . O dispositivo é encerrado em um recipiente de vidro bulboso ou grande cuba de metal. Um eletrodo, o cátodo , é submerso em uma poça de mercúrio líquido no fundo do vaso e um ou mais eletrodos de grafite de alta pureza, chamados de ânodos , estão suspensos acima da poça. Pode haver vários eletrodos auxiliares para auxiliar na partida e manutenção do arco. Quando um arco elétrico é estabelecido entre o reservatório do cátodo e os ânodos suspensos, um fluxo de elétrons flui do cátodo para os ânodos através do mercúrio ionizado, mas não o outro caminho (em princípio, esta é uma contraparte de maior potência para a retificação da chama , que usa as mesmas propriedades de transmissão de corrente unilateral do plasma naturalmente presente em uma chama).

Esses dispositivos podem ser usados ​​em níveis de energia de centenas de quilowatts e podem ser construídos para lidar com uma a seis fases da corrente CA. Os retificadores de arco de mercúrio foram substituídos por retificadores semicondutores de silício e circuitos tiristores de alta potência em meados dos anos 1970. Os retificadores de arco de mercúrio mais poderosos já construídos foram instalados no projeto Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC, com uma classificação combinada de mais de 1 GW e 450 kV.

Tubo de elétrons do gás argônio

Lâmpadas Tungar de 1917, 2 amperes (esquerda) e 6 amperes

O retificador Tungar da General Electric era um dispositivo de tubo de elétrons cheio de gás com vapor de mercúrio (ex .: 5B24) ou argônio (ex .: 328) com um cátodo de filamento de tungstênio e um ânodo de botão de carbono. Ele operava de forma semelhante ao diodo termiônico do tubo de vácuo, mas o gás no tubo ionizava durante a condução direta, dando a ele uma queda de voltagem direta muito menor para que pudesse retificar voltagens mais baixas. Ele foi usado para carregadores de bateria e aplicações semelhantes da década de 1920 até que os retificadores de metal de baixo custo e, mais tarde, diodos semicondutores, o suplantaram. Estas eram compostas por algumas centenas de volts e alguns amperes e, em alguns tamanhos, lembrava fortemente uma lâmpada incandescente com um eletrodo adicional.

O 0Z4 era um tubo retificador preenchido com gás comumente usado em rádios automotivos com tubo a vácuo nas décadas de 1940 e 1950. Era um tubo retificador de onda completa convencional com dois ânodos e um cátodo, mas era o único por não ter filamento (portanto, o "0" em seu número de tipo). Os eletrodos foram moldados de forma que a tensão de ruptura reversa fosse muito maior do que a tensão de ruptura direta. Uma vez que a tensão de ruptura foi excedida, o 0Z4 mudou para um estado de baixa resistência com uma queda de tensão direta de cerca de 24 V.

Tubo de vácuo de diodo (válvula)

Diodos de tubo de vácuo

O diodo termiônico a vácuo , originalmente chamado de válvula Fleming , foi inventado por John Ambrose Fleming em 1904 como um detector de ondas de rádio em receptores de rádio e evoluiu para um retificador geral. Consistia em um bulbo de vidro evacuado com um filamento aquecido por uma corrente separada e um ânodo de placa de metal . O filamento emitia elétrons por emissão termiônica (o efeito Edison), descoberto por Thomas Edison em 1884, e uma voltagem positiva na placa causava uma corrente de elétrons através do tubo do filamento à placa. Como apenas o filamento produzia elétrons, o tubo conduzia corrente apenas em uma direção, permitindo que o tubo retificasse uma corrente alternada.

Retificadores de diodo termiônico foram amplamente usados ​​em fontes de alimentação em produtos eletrônicos de consumo de válvulas, como fonógrafos, rádios e televisores, por exemplo, o receptor de rádio All American Five , para fornecer a alta tensão de placa DC necessária para outras válvulas. Versões de "onda completa" com duas placas separadas eram populares porque podiam ser usadas com um transformador com derivação central para fazer um retificador de onda completa. Retificadores de tubo de vácuo foram feitos para tensões muito altas, como a fonte de alimentação de alta tensão para o tubo de raios catódicos de receptores de televisão e o kenotron usado para fonte de alimentação em equipamentos de raios-X . No entanto, em comparação com os diodos semicondutores modernos, os retificadores de tubo a vácuo têm alta resistência interna devido à carga espacial e, portanto, altas quedas de tensão, causando alta dissipação de potência e baixa eficiência. Eles raramente são capazes de lidar com correntes superiores a 250 mA devido aos limites da dissipação de energia da placa e não podem ser usados ​​para aplicações de baixa tensão, como carregadores de bateria. Outra limitação do retificador de tubo de vácuo é que a fonte de alimentação do aquecedor geralmente requer arranjos especiais para isolá-lo das altas tensões do circuito retificador.

Estado sólido

Detector de cristal

Detector de bigode de gato galena

O detector de cristal foi o primeiro tipo de diodo semicondutor. Inventado por Jagadish Chandra Bose e desenvolvido por GW Pickard a partir de 1902, foi uma melhoria significativa em relação aos detectores anteriores, como o coerer. O detector de cristal foi amplamente utilizado antes de os tubos de vácuo se tornarem disponíveis. Um tipo popular de detector de cristal, geralmente chamado de detector de bigode de gato , consiste em um cristal de algum mineral semicondutor , geralmente galena (sulfeto de chumbo), com um fio elástico leve tocando sua superfície. Sua fragilidade e capacidade limitada de corrente o tornam inadequado para aplicações de fonte de alimentação. Na década de 1930, os pesquisadores miniaturizaram e aprimoraram o detector de cristal para uso em frequências de micro-ondas.

Retificadores de óxido de selênio e cobre

Retificador de selênio

Antes comuns até serem substituídos por retificadores de estado sólido de silício mais compactos e menos caros na década de 1970, essas unidades usavam pilhas de placas de metal revestidas com óxido e tiravam vantagem das propriedades semicondutoras do selênio ou do óxido de cobre. Embora os retificadores de selênio fossem mais leves e usassem menos energia do que os retificadores de tubo de vácuo comparáveis, eles tinham a desvantagem de uma expectativa de vida finita, aumentando a resistência com o tempo, e só eram adequados para uso em baixas frequências. Ambos os retificadores de óxido de selênio e cobre têm uma tolerância um pouco melhor de transientes de tensão momentâneos do que os retificadores de silício.

Normalmente esses retificadores eram compostos de pilhas de placas ou arruelas de metal, unidas por um parafuso central, com o número de pilhas determinado pela tensão; cada célula foi classificada para cerca de 20 V. Um retificador de carregador de bateria automotiva pode ter apenas uma célula: a fonte de alimentação de alta tensão para um tubo de vácuo pode ter dezenas de placas empilhadas. A densidade da corrente em uma pilha de selênio resfriado a ar era de cerca de 600 mA por polegada quadrada de área ativa (cerca de 90 mA por centímetro quadrado).

Diodos de silício e germânio

Uma variedade de diodos de silício de diferentes classificações de corrente. À esquerda está uma ponte retificadora . Nos 3 diodos centrais, uma faixa pintada identifica o terminal catódico

Os diodos de silício são os retificadores mais amplamente usados ​​para tensões e potências mais baixas e substituíram em grande parte outros retificadores. Devido à sua tensão direta substancialmente mais baixa (0,3 V versus 0,7 V para diodos de silício), os diodos de germânio têm uma vantagem inerente sobre os diodos de silício em circuitos de baixa tensão.

Alta potência: tiristores (SCRs) e conversores de voltagem baseados em silício mais recentes

Duas das três pilhas de válvula de tiristor de alta potência usadas para transmissão de energia de longa distância das barragens de Manitoba Hydro . Compare com o sistema de arco de mercúrio do mesmo local da barragem, acima.

Em aplicações de alta potência, de 1975 a 2000, a maioria dos retificadores de arco de válvula de mercúrio foram substituídos por pilhas de tiristores de altíssima potência , dispositivos de silício com duas camadas extras de semicondutor, em comparação com um diodo simples.

Em aplicações de transmissão de média potência, sistemas retificadores de semicondutores de silício conversor com fonte de tensão (VSC) ainda mais complexos e sofisticados , como transistores bipolares de porta isolada (IGBT) e tiristores de desligamento de porta (GTO) , tornaram a transmissão de energia CC de alta tensão menor sistemas econômicos. Todos esses dispositivos funcionam como retificadores.

A partir de 2009, era esperado que esses "interruptores auto-comutáveis" de silício de alta potência, em particular IGBTs e um tiristor variante (relacionado ao GTO) chamado tiristor comutador de porta integrado (IGCT), seriam aumentados em potência a tal ponto que eles eventualmente substituiriam sistemas simples de retificação AC baseados em tiristores para as aplicações DC de transmissão de potência mais altas.

Retificador ativo

Queda de tensão em um diodo e um MOSFET. A propriedade de baixa resistência de um MOSFET reduz as perdas ôhmicas em comparação com o retificador de diodo (abaixo de 32 A neste caso), que exibe uma queda de tensão significativa mesmo em níveis de corrente muito baixos. O paralelismo de dois MOSFETs (curva rosa) reduz ainda mais as perdas, ao passo que o paralelismo de vários diodos não reduzirá significativamente a queda de tensão direta.

A retificação ativa é uma técnica para melhorar a eficiência da retificação substituindo diodos por chaves ativamente controladas, como transistores , geralmente MOSFETs ou BJTs de potência . Enquanto os diodos semicondutores normais têm uma queda de tensão quase fixa de cerca de 0,5-1 volts, os retificadores ativos se comportam como resistências e podem ter queda de tensão arbitrariamente baixa.

Historicamente, interruptores accionado vibrador ou accionados por motor comutadores também têm sido utilizados para rectificadores mecânicas e rectificação síncrono.

A retificação ativa tem muitas aplicações. É freqüentemente usado para matrizes de painéis fotovoltaicos para evitar o fluxo de corrente reversa que pode causar superaquecimento com sombreamento parcial, enquanto fornece perda de energia mínima.

Pesquisa atual

Uma grande área de pesquisa é desenvolver retificadores de alta frequência, que podem retificar em terahertz e frequências de luz. Esses dispositivos são usados ​​na detecção óptica heteródina , que tem inúmeras aplicações em comunicação de fibra óptica e relógios atômicos . Outra aplicação potencial para tais dispositivos é retificar diretamente ondas de luz captadas por minúsculas antenas , chamadas nantenas , para produzir energia elétrica CC. Pensa-se que conjuntos de antenas podem ser um meio mais eficiente de produzir energia solar do que células solares .

Uma área de pesquisa relacionada é desenvolver retificadores menores, porque um dispositivo menor tem uma frequência de corte mais alta. Projetos de pesquisa estão tentando desenvolver um retificador unimolecular , uma única molécula orgânica que funcionaria como um retificador.

Veja também

Referências