Guia do Iniciante para o Projeto de Retificador de Onda Completa em Ponte H

A conversão de energia é uma parte essencial da vida moderna, e provavelmente a mais importante para fins práticos em eletrônica é a conversão de AC para DC. Os retificadores são os circuitos essenciais usados para transformar AC em DC e podem se enquadrar em uma das seguintes categorias:

• Retificador de meia onda
• Retificador de onda completa com derivação central
• Retificador de ponte

A funcionalidade desses retificadores é a mesma, ou seja, conversão de AC para DC, mas cada um usa uma configuração de entrada diferente e eles têm saídas diferentes. O retificador com derivação central e o retificador de ponte são ambos retificadores de onda completa (este último às vezes é chamado de "retificador de ponte completa"), e eles fornecem eficiência de conversão de energia superior a um retificador de meia onda. Retificadores com derivação central e retificadores de ponte servem quase ao mesmo propósito, mas o transformador com derivação central usado no primeiro é caro, então um retificador de ponte geralmente é preferido a menos que as derivações centrais em um transformador sejam necessárias por um motivo particular.

Neste guia, vamos olhar para o design e simulação de um retificador H-bridge de onda completa para conversão de energia monofásica e trifásica. Ambos podem ser usados em um ambiente industrial, incluindo em pequenos módulos de controle que minha empresa desenvolveu para projetos de clientes. Eles são onipresentes em outros dispositivos eletrônicos, e construir uma simulação com eles é importante para ver como eles podem fornecer energia para circuitos a jusante com alta eficiência.

Tipos de Circuitos de Retificador de Ponte Completa

Um circuito básico de retificador de ponte completa é mostrado abaixo. Este circuito normalmente usa quatro diodos (D1-D4) dispostos em pares em série e apenas dois diodos são polarizados diretamente durante cada meio ciclo da entrada AC. Os quatro diodos neste retificador estão conectados em uma estrutura semelhante a uma ponte em loop fechado e esta montagem dá o seu nome. Isso às vezes é chamado de retificador não controlado, cujo motivo será mostrado mais tarde neste artigo.

Retificadores Monofásicos vs. Trifásicos

Às vezes, você verá o retificador acima desenhado em uma configuração H-bridge, que é mostrada abaixo. Esta configuração é a mesma que a configuração acima. Também mostrado abaixo está um retificador trifásico para comparação, que simplesmente usa 6 diodos em vez de 4, com 2 diodos em série usados para controlar o fluxo de corrente para cada fase em uma conexão AC trifásica. As diferenças entre os dois tipos de retificadores devem ser evidentes a partir de suas formas de onda; o retificador trifásico fornece muito menos ondulação, mas com 1,5x a frequência do retificador monofásico.

Como os diodos convencionais são unidirecionais e não controlados, a corrente só pode fluir em uma direção, e não há como controlar a tensão de avanço. Por essa razão, normalmente chamamos esses retificadores de “não controlados” e precisamos escolher adequadamente os diodos usados nesses circuitos para garantir que o retificador será totalmente polarizado em avanço no ambiente de operação pretendido. Se você está se conectando à rede AC, terá margem suficiente para garantir que os diodos neste circuito estarão sempre polarizados em avanço, isso é mais uma preocupação se você reduzir para um nível baixo primeiro, e então aplicar a retificação. Por essa razão, muitas vezes é o caso de um transformador ser usado para reduzir para um nível moderado primeiro (nível AC nominal de 12 V ou 24 V), e então o sinal é passado pelo retificador. Após suavização para algum valor de DC, um estágio final de regulação é aplicado para definir a tensão de saída para o valor necessário.

Retificadores Controlados

Este tipo de retificador de ponte completa usa alguns componentes de estado sólido controlados como MOSFETs, IGBTs, SCRs, etc., em vez de diodos convencionais. Um SCR é comumente usado pois sua tensão pode ser facilmente variada pela aplicação direta de uma tensão DC externa. Assim, o sistema pode ajustar a saída de potência para diferentes tensões conforme necessário. A imagem abaixo mostra um retificador de ponte controlado monofásico, que simplesmente envolve a substituição dos diodos por SCRs.

Assim como o retificador monofásico regular, este retificador controlado pode ser desenhado como uma ponte H; a funcionalidade resultante é exatamente a mesma. Também podemos estender o circuito para uma entrada trifásica usando 6 SCRs (2 para cada fase).

Escolhendo Diodos

Como mencionei acima, deve ficar claro que a corrente através da carga flui em uma direção em ambos os tipos de retificadores, então apenas dois dos diodos são polarizados em avanço em qualquer instante dado. Há uma queda de tensão em cada diodo na seção da ponte polarizada em avanço durante cada meio ciclo. Para diodos de silício, a queda total de tensão deve ser 2*0.7 = 1.4 V porque dois diodos serão polarizados em avanço. Se você está trabalhando com AC acoplado por transformador de nível mais baixo, então você pode querer usar diodos de germânio ou Schottky, pois eles têm uma queda de tensão menor quando polarizados em avanço.

Formas de Onda de Saída

Normalmente, uma vez que você configura seu retificador, uma tensão DC é estabelecida adicionando um capacitor de suavização em paralelo às saídas. O capacitor de suavização em paralelo com a carga determinará o nível de ondulação superposta na forma de onda DC de saída. Durante o instante em que a tensão de entrada começa a diminuir durante um ciclo, o capacitor em paralelo com a saída começará a descarregar em paralelo com o resistor, formando assim um circuito RC. O capacitor carrega e descarrega repetidamente com uma constante de tempo RC específica entre meio-ciclos. Antes que o capacitor possa descarregar completamente, o ciclo de carga começa, então o capacitor nunca é completamente descarregado a menos que a energia de entrada seja cortada.

Aqui, você pode usar a constante de tempo RC para determinar essa taxa de descarga através da carga. Por exemplo, se usarmos uma resistência de carga de 10 kOhm com um capacitor de 50 uF, então a constante de tempo RC é de 500 ms. Isso significa que, se quisermos reduzir a ondulação na tensão DC de saída, então precisamos aumentar o valor do capacitor de suavização ou da resistência de carga (ou ambos). Embora a forma de onda de saída não seja puramente DC, aumentar a resistência de carga e suavizar o capacitor o suficiente faz com que a ondulação de saída seja tão pequena que pode não ser facilmente notada. A etapa final de regulação geralmente será um LDO (para baixa tensão) ou um regulador chaveado (para alta tensão).

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