Esquemas Eletrônicos

Vamos supor que você esteja dirigindo um carro a uma velocidade de 50 km por hora. Por razões de segurança, você poderia ir mais rapidamente, de modo a poder ultrapassar um outro carro, ou se safar de algum perigo. Da mesma forma, você pode parar o carro. Portanto, 50 km por hora é sua velocidade de cruzeiro.

Em casos especiais, é desejável dirigir o carro a quase sua velocidade máxima continuamente. Um exemplo disto é o carro de corrida. Porém, isto é uma exceção. Da mesma forma que você não deve dirigir um automóvel à sua velocidade máxima continuamente, você não de.’e operar constantemente uma válvula a vácuo ou um transistor à sua corrente máxima de saída. Se você fizer isto, não poderia mais aumentar a corrente de saída quando o sinal de entrada aumentar. Por esta razão, os amplificadores são, geralmente, operados de tal forma que sua corrente de saída na ausência de sinal de entrada seja menor que o máximo. Para conseguir isto, o eletro- do de controle do amplificador é operado com uma tensão contínua chamada de polarização. A tensão de polarização determina a corrente contínua de saída do componente amplificador, na ausência de sinal alternado de entrada.

Uma das coisas que você deve saber sobre os diodos é seu valor nominal TIP (TENSÃO INVERSA DE PICO). Os fabricantes fornecem o valor TJP dos diodo’ que fabricam. Essa é a tensão reversa máxima que pode ser aplicada sobre um diodo antes de ocorrer uma falha. Em outras palavras, é a tensão má”cima com anodo negativo e catodo positivo.

Quando ocorre uma falha o diodo conduz uma corrente de elétrons do anodo para o catodo. Sua capacidade retificadora é geralmente destruída quando isso ocorre.

E boa prática usar um diodo com um valor TIP maior daquele que você esperara colocar sobre ele. Se o diodo tiver uma tensão reversa sobre ele de 100 volts quando for ligado no circuito, deveria então usar um diodo com um valor T1P de 200 sob pelo menos.

Figura 1

Figura 2

Você pode necessitar de uma tensão de pico inversa maior do que aquela obtida com qualquer dos diodos disponíveis. Você pode obter um valor TIP maior ligando os diodos em série.

A Figura 1 mostra como os diodos são ligados em série. Se um diodo nesse circuito tiver um valor TIP de 100 volts e outro tiver também um valor TIP de 100 volts, a capacidade de tensão inversa de pico da combinação é então a soma, ou seja, 200 volts.

Além do valor TlP, os fabricantes também caracterizam os diodos pela corrente máxima direta que podem produzir com segurança. A corrente máxima de condução é a maior corrente que você pode permitir quando o diodo é polarizado diretamente (anodo positivo e catodo negativo. Você pode precisar de um valor maior de corrente de condução do que pode ser obtido com qualquer dos diodos disponíveis. isso pode ser feito ligando os diodos em paralelo como indicado na Figura 2. Aqui um diodo na combinação paralela possui capacidade de corrente direta de 1/2 ampère e o outro tem também a capacidade de corrente direta de 1/2 ampère. Quando os dois forem ligados em paralelo, a corrente direta máxima permissível para a combinação dos dois diodos é de um ampère.

Quando os diodos forem ligados em paralelo, conforme indicado na Figura 2, sua tensão inversa de pico é igual ao valor TIP mais baixo da combinação. Por exemplo, vamos supor que um diodo possua um valor TIP de 50 volis e um outro um valor TIP de 100 volts. Quando forem ligados em paralelo, o valor TIP dos dois será de 50 volts.

Figura 2

É possível obter até mais de duas seres a tensão de entrada nos circuitos retificadores e no capacitor. Você pode ver um exemplo similar na Figura 1. Esse circuito consiste num duplicador de tensão de meia onda composto pelos capacitores C1 e C2 e dos diodos D e D. A única diferença com o duplicador de meia onda da Figura 2a é que o diodo 1)3 e o capacitor C foram acrescentados. A tensão sobre o capacitor C2 serão dobro da tensão de linha, conforme explicado anteriormente. O capacitor C3 carrega até o valor máximo da tensão nos meios ciclos quando o ponto a é negativo com relação ao ponto b. As setas mostram o caminho da corrente de carga para C3. A tensão alternada máxima sobre C3 mais o dobro da tensão alternada sobre C2 adicionam-se para formar três vezes a tensão alternada máxima sobre os terminais de saída.

Figura 1

Figura 2a

A figura 1 mostra dois circúitos de retificadores que proporcionam uma tensão de saída que é aproximadamente duas vezes a tensão do pico da tensão de entrada sobre os pontos a e b.

A Figura 1a mostra um circuito duplicador de tensão de meia onda. Durante o primeiro meio ciclo o onto a é positivo com relação ao ponto b o diodo D1 e liga o diodo D2. O fluxo de elétrons para esse meio ciclo é indicado pelas setas pontilhadas. Essa corrente carrega o capacitor C2 até o ciclo é indicado pelas setas pontilhadas. Essa corrente carrega o capacitor C2 até o valor máximo da tensão sobre os pontos a e b.

No meio ciclo seguinte o ponto a é negativo com relação ao ponto b. Durante esse meio ciclo a tensão positiva no ponto b liga o diodo D1 e desliga o diodo D2. O fluxo dos elétrons está indicado pelas setas cheias. Esse fluxo de corrente de elétrons carrega o capacitor C1 até o valor máximo da tensão sobre os pontos a e b. O resistor R1 limita o valor da corrente de maneira que a capacidade da corrente dos diodos não seja ultrapassada.

Quando D1 conduz elétrons você deve lembrar que o capacitor C1 está carregado para o valor máximo da tensão da linha. Esse capacitor segura a voltagem máxima durante a metade do ciclo na qual o diodo D1 não está conduzindo. A polaridade da tensão sobre C1 não está indicada. Você poderá notar que a tensão está em série com a tensão sobre o secundário quando o ponto a é positivo em relação á tensão sobre o ponto 1,. O gráfico adicional da Figura 1a mostra que as duas tensões se adicionam. A tensão total (Ec1 + Es,,) é aplicada quando o diodo D é condutor, de modo que C2 carrega ao dobro do valor máximo da tensão sobre o secundário do transformador.

Se você medir a tensão sobre o secundário do transformador com um voltímetro decorrente alternada e encontrar a tensão do secundário igual a 100 volts, pode pensar que a tensão sobre o capacitor C2 será de 200 volts. Isso não é verdade. Lembre-se de que, quando você mede uma tensão alternada com voltímetro, está medindo o valor rms. Os capacitores são carregados para o valor máximo. O valor máximo é igual a 1,414 vezes esse valor rms. Entretanto, se você mede 100 volts sobre o secundário do transformador com um voltímetro, o valor máximo é 1,414 x I00,ou seja, 141 volts. A tensão de saída sobre C2 será o dobro de 141 volts, ou seja 282 volts.

O circuito da Figura 1a é considerado um duplicador de meia onda em razão da tensão sobre a saída (que também e a tensão sobre C) ser produzida somente durante a metade do ciclo de fornecimento de energia.

O circuito da Figura 1b é um circuito duplicador de tensão de onda completa. Na primeira metade do ciclo, o ponto a torna-se positivo com relação ao ponto b. O diodo D1 está ligado pela tensão positiva, enquanto D2 está desligado. O caminho de condução está indicado pelas setas pontilhadas. O capacitor C2 é carregado até a tensão máxima sobre a e h durante esse meio ciclo.

Figura 1a

No segundo meio ciclo o ponto a torna-se negativo com relação ao ponto h. A tensão negativa no ponto a torna inoperante o diodo D e torna condutor o diodo D1. O caminho condutor é indicado pelas setas cheias. O capacitor C1 carrega até a tensão máxima sobre a e li durante esse meio ciclo.

A tensão sobre a saída da fonte de alimentação é a soma das tensões sobre os capacitores. Essa tensão é obtida adicionando as duas tensões dos capacitores em séries de forma muito semelhante à adição de tensões de bateria que você pode ser no desenho anexo.

Se a tensão de entrada sobre os pontos a e b no duplicador de onda completa da Figura 1b for medida e achado ser de 100 volts, a tensão de saída será de 282 volts. Lembre-se, um voltímetro mede o valor eficaz rms, porém os capacitores carregam até o valor máximo.

Figura 1b

Uma vantagem do duplicador de onda completa sobre o duplicador de meia onda é que a tensão de saída muda menos com variações da corrente de carga. Observe que na Figura 1a uma resistência baixa ligada sobre os terminais de saída não causará a descarga do capacitor C, para um valor baixo. Isso ocorrerá durante cada meio ciclo quando C2 não estiver carregado. Com o duplicador de onda completa, um ou outro dos dois capacitores (C1 e C,) está sendo carregado durante um dos dois meios ciclos de fornecimento de energia. Já que C1 e C2 são ligados em série e a carga é ligada sobre ambos, a carga não pode reduzir a tensão de saída de forma perceptível em nenhum momento.

Os circuitos duplicadores de tensão possuem a vantagem de produzir uma tensão contínua de saída importante para uma tensão alternada de entrada. Porém, esse tipo de circuito tem pouca regulagem, o que significa que a tensão de saída varia consideravelmente com alterações importantes na corrente de carga.

A Figura 1 mostra um circuito de retificador de ponte. Esse é outro tipo de retificador de onda completa. A onda de saída mostra que a corrente flui através do resistor de carga RL para ambos os meios ciclos de entrada. Um transformador não é necessário para esse tipo de retificador apesar de ter sido indicado na figura. Um retificador de ponte possui a vantagem de sempre usar o enrolamento secundário do transformador inteiro. Dessa forma, se você usar o mesmo transformador, a tensão contínua de saída terá duas vezes a tensão obtida na Figura 6-5.

Figura 1

A tensão sobre o secundário é alternada. No primeiro meio ciclo, o ponto a é positivo em relação ao ponto b. O caminho de condução durante esse meio ciclo é medicado pelas setas pontilhadas. Isso ocorre do ponto b através do diodo D3 através da carga R1, através de D4 e para o ponto positivo a no secundário do transformador. O diodo D está cortado durante esse meio ciclo em razão da tensão negativa sobre seu anodo no ponto a e o diodo D2 é cortado por causa da tensão positiva em seu catodo no ponto 1).
Durante o meio ciclo seguinte o ponto a é negativo com relação a b. A corrente
durante esse meio ciclo é indicada pelas setas sólidas. Ela flui através de D1, da carga RL, através de D- e até o ponto positivo b.

A corrente tini na mesma direção através de R1 durante ambos os meios ciclos. Portanto esse é um retificador de onda completa. Uma vantagem importante no retificador de ponte sobre o retificador de onda completa indicado na Figura 2 é que um transformador não e necessário. Porém, se a tensão alternada da linha de alimentação tiver que ser elevada ou abaixada, um transformador será necessário.

Figura 2

A Figura 1 mostra um circuito para um retificador de onda completa. Esse tipo de circuito retificador deve ser usado com um transformador. O transformador é necessário para dividir a fase de modo que cada diodo (D1 e D2) conduzirá durante um meio ciclo.

No primeiro meio ciclo o ponto a é positivo e o ponto b negativo, O centro igualiza as tensões positivas e negativas. Vamos supor que o ponto a seja positivo e o ponto b negativo. As setas cheias mostram o caminho do fluxo da corrente de elétrons. O diodo D2 não está conduzindo eletricidade durante esse período por causa da tensão negativa sobre seu anodo.

Figura 1

No segundo meio ciclo o ponto b é positivo e o ponto a é negativo. O diodo D1 está desligado com a tensão negativa em seu anodo. O caminho de condução durante esse meio ciclo está indicado pelas setas pontilhadas. As setas mostram que a corrente de elétrons flui na mesma direção através de Rh quando D1 ou D2 estiver conduzindo.

A forma das ondas da tensão de entrada e saída do circuito retificador de onda completa é mostrada no desenho. As áreas achuriadas são para as ondas quando D1 conduz. Observe que a onda de saída cai para zero somente durante um instante na ocasião de um ciclo completo de fornecimento de energia. Existe também uma tensão de saída para ambos os meios ciclos de entrada. Em muitos circuitos isso é uma vantagem sobre a fonte de alimentação de meia onda, indicada na Figura 2.

Figura 2

A Figura 1 mostra um circuito retificador de meia onda. Um transformador de potência é mostrado no desenho, porém esse tipo de circuito de retificador pode também trabalhar sem um transformador. A tensão alternada aparece sobre o secundário do transformador nos pontos a e b. No primeiro meio ciclo o ponto a é negativo em relação ao ponto b. A tensão negativa sobre o anodo do diodo impede-o de conduzir corrente. Na segunda metade do ciclo, o ponto a é positivo em relação ao ponto b. A tensão positiva sobre o anodo do diodo faz com que ele conduza um fluxo de elétrons no caminho indicado pelas setas.

Figura 1

As ondas de entrada e saída para o circuito retificador de meia onda são indicadas no desenho. Uma desvantagem importante deste circuito é que a tensão de saída é de O volt para meio ciclo de entrada. Portanto essa fonte de alimentação fornece energia contínua durante meio ciclo de entrada.

Começaremos dando-lhe uma visão geral de uma fonte de alimentação de voltagem regulada típica. A Figura 1 mostra o sistema em forma de diagrama de blocos.

Figura 1

A energia de entrada da companhia de energia está em corrente alternada. E aplicada no primário de um transformador de potência. O transformador serve para duas finalidades: (1) para isolar o circuito da fonte de alimentação da linha em corrente alternada e (2) para aumentar ou abaixar a tensão da linha para o valor desejado.

O secundário transformador está ligado a um circuito retificador que altera a tensão alternada para tensão contínua. Os componentes nos circuitos retificadores podem ser válvulas, diodos semicondutores, SCRs, ou diodos a gás. Os circuitos retificadores com diodos semi-condutores são os mais populares.

A saída do circuito do retificador não é urna tensão contínua, pura e suave. Pelo contrário, é urna forma de tensão continua pulsante. Pode ser vista urna onda típica no diagrama de blocos. Essa tensão não poderia ser usada como corrente contínua nos sistemas amplificadores, de modo que se usa um circuito de filtro. A única finalidade do filtro é suavizar as pulsações a fim de obter urna tensão de saída pura (ou quase pura).

Os três blocos da Figura 6-3 que foram discutidos até agora compõem o que se chama fonte de alimentação não regulada. A tensão de saída do filtro pode ser fornecida diretamente à carga que requer uma tensão contínua. Porém, se a corrente de carga numa fonte de alimentação não regulada variar de instante para instante, haverá também alterações na tensão de saída. Em alguns circuitos é importante ter urna tensão de saída contínua muito constante independentemente de a corrente da carga variar ou não. Nesse tipo de aplicações é necessário um circuito regulador. Essa é a parte do diagrama de blocos da Figura 1 vista fora da linha pontilhada.

O circuito sensor controla qualquer alteração que possa ocorrer na tensão de saída. (Novamente essas alterações na tensão ocorrem como resultado na corrente de carga.)

A saída do circuito sensor é alimentada por um comparador que também possui uma entrada de uma tensão de referência. Se as tensões do sensor e de referência forem as mesmas, não haverá alteração na saída de tensão do comparador. Se a tensão de saída da fonte de alimentação variar, haverá uma mudança correspondente de saída do circuito sensor. Isso faz com que o comparador forneça uma tensão diferente para o amplificador, dependendo da mangnitude da alteração controlada.

O amplificador amplia a saída do comparador e fornece uma tensão de controle ao regulador em série. Sua finalidade é controlar a tensão de saída contínua do circuito. Se a tensão de saída da fonte de alimentação tende a aumentar ou diminuir, o regulador em série automaticamente ajusta a saída para seu valor correto.

Resumo

1. A energia elétrica fornecida aos sistemas eletrônicos está numa das seguintes formas: corrente contínua, corrente alternada monofásica, corrente alternada bifásica, corrente alternada trifásica.
2. Um circuito de fonte de alimentação converte energia de uma forma para outra. Não gera energia.
3. Os transformadores convertem a corrente alternada de um valor para outro e isolam o circuito primário do circuito secundário.
4. Os retificadores convertem a corrente alternada em corrente contínua enquanto os inversores convertem a corrente contínua em corrente alternada.
5. Um conversor converte a corrente contínua de um valor para outro.
6. Uma fonte de alimentação regulada mantém sua tensão de saída num valor constante até mesmo se a resistência de carga for alterada. 

Uma fonte de alimentação não regulada fornece uma tensão e uma corrente de carga sobre os terminais de um circuito não regulado, haverá uma alteração de tensão sobre a carga. Haverá também uma alteração na intensidade da corrente através da carga.

Existem dois tipos de fontes de alimentação reguladas. Uma fonte de alimentação de tensão regulada possui a mesma tensão de saída independentemente da resistência da carga. Uma fome de alimentação de corrente regulada produz a mesma corrente de saída independentemente da resistência da carga.

Naturalmente, existe um limite para mudar a resistência da carga. Por exemplo, se você colocar um curto circuito (O ohm) sobre os terminais de saída de uma fonte de alimentação de tensão regulada, a tensão sobre os terminais cairá para zero. (Não pode haver queda de tensão sobre uma resistência de O ohm.)

A tensão de saída de uma fonte de alimentação regulada será constante sobre uma determinada faixa de valores da corrente de carga. O fabricante deve fornecer-lhe essa faixa de valores.

A corrente de saída de uma fonte regulada será constante sobre uma faixa determinada de valores da resistência de carga. Como no caso de fontes com voltagem regulada, o fabricante deve fornecer-lhe a faixa de valores.

Pelo nome você pode presumir que urna fonte de alimentação fornece energia. Porém isso não é correto. Se um equipamento é operado por uma linha de corrente continua, não é a companhia de energia que fornece a energia. A fonte de alimentação converte a energia alternada em energia em corrente contínua para operar os componentes eletrônicos.

A energia é geralmente uma das quatro formas indicadas na Figura 2. A energia de corrente contínua pode ser obtida através de uma bateria. Em algumas das aplicações industriais a energia em corrente contínua pode ser fornecida por geradores.

Figura 2

A Figura 2b mostra um gráfico de energia em corrente alternada monofásica. Essa é o tipo de energia fornecida à maioria das casas e é usada em muitas aplicações industriais. Quando a energia é transportada sobre longas distâncias, ocorre urna queda de tensão ao longo do fio devida a uma resistência do fio. Transformadores são colocados ao longo da linha para levar a tensão de volta para o valor desejado. Você pode observar esses grandes transformadores montados sobre postes de distribuição. Essa é a vantagem de usar energia de corrente alternada, ao invés de corrente continua, para fornecimento de energia das casas. Não seria possível usar um de compensar as perdas de tensão ao longo da linha.

Uma desvantagem do sistema monofásico de energia em corrente alternada é que a tensão aplicada cai a zero uma vez cada meio ciclo. Observe que a tensão é O volt a 0°, 180 e 360°. No instante em que a tensão estiver a zero, não há energia fornecida à carga.

Alguns tipos de motores alternados requerem duas tensões defasadas. Duas tensões são consideradas defasadas se não atingirem seu máximo ao mesmo tempo. As duas tensões podem ser fornecidas para a mesma carga. Essa é chamada energia bifásica em corrente alternada e está indicada na Figura 2c. As duas fases de tensão são defasadas de 90°. Neste desenho a onda a é adiantada sobre a onda h — isto é, está adiante da onda b por 90°. Isso significa que, quando a está a seu valor máximo, b está a seu valor zero, e quando b está a seu valor máximo, a está a seu valor zero.

Desde que as duas tensões nunca passam para zero ao mesmo tempo, existe sempre fornecimento de energia à carga. Essa é uma vantagem sobre corrente alternada monofásica.

Com fornecimento de energia em corrente trifásica, três tensões diferentes são geradas ao mesmo tempo. Isso pode ser visto na Figura 2d. As tensões são defasadas em 1200 uma com a outra. A tensão trifásica nunca cai para zero. Conforme a onda a cai para zero, a onda b aproxima-se para seu pico, e conforme a onda b cai para zero, a onda c aproxima-se de seu pico. Portanto, ela apresenta a mesma vantagem que o sistema bifásico.

O fornecimento de energia num sistema eletrônico geralmente converte a corrente alternada em corrente contínua, de modo que pode ser chamado sistema alterador de potência. Existem somente quatro tipos de sistemas alteradores de potência. Podem ser vistos na Figura 3.

Figura 3

Um transformador é usado para transformar a corrente alternada em alguma tensão (ou corrente) determinada em corrente alternada de tensão (ou corrente) diferente. Um sistema retificador é usado para mudar a corrente alternada em corrente contínua.
O retificador é um componente muito importante de uma fonte de alimentação eletrônica. Para mudar uma tensão (ou corrente) continua para outro valor de tensão (ou corrente) contínua, usa-se uni conversor. Se for disponível urna corrente contínua e você quer mudar a corrente contínua em corrente alternada, usa-se um circuito chamado inversor.

Dos quatro sistemas básicos para mudar a potência mostrados na Figura 3, os dois primeiros (transformadores e retificadores) são extensivamente usados em fontes de alimentação eletrônicas.

Esse tipo de sistema de energia que recebe corrente alternada da linha e a transforma em corrente contínua é chamado fonte de alimentação. Cada sistema eletrônico projetado para operar a partir de uma linha de corrente alternada possui esse tipo de fonte de alimentação.