Filtros Teoria, Notas de estudo de Eletrônica

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Eletrônica Eletrônica básica - Teoria

Filtros em fontes de

alimentação

Filtros em fontes de alimentação

© SENAI-SP, 2003

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila homônima Filtros em fontes de alimentação - Teoria. SENAI - DN, RJ, 1985.

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Introdução

Os circuitos retificadores de meia onda e onda completa fornecem tensões contínuas pulsantes na saída. Isto limita muito a sua aplicação, pois a maioria dos equipamentos necessita de tensões contínuas, tão puras quanto possível.

Para alimentar equipamentos eletrônicos de CC acrescenta-se um filtro aos circuitos retificadores, que torna a forma de onda de saída da fonte mais próxima da CC.

Esta unidade tratará do filtro, sua função e forma de funcionamento visando capacitá-lo a montar uma fonte de CC com forma de onda próxima a da CC pura.

Pré-requisitos

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades desta unidade você já deverá ter conhecimentos relativos a:

• Armazenamento de energia em capacitores;
• Retificação de meia onda;
• Retificação de onda completa.

O filtro nas fontes de

alimentação

As tensões contínuas puras se caracterizam por apresentarem polaridade definida e valor constante ao longo do tempo.

A figura abaixo mostra o gráfico de uma tensão contínua pura fornecida por uma bateria.

As tensões fornecidas pelos circuitos retificadores, tanto de meia onda como de onda completa são pulsantes.

Embora tenham a polaridade definida, as tensões fornecidas pelos circuitos retificadores sofrem constante variação de valor, pulsando conforme a tensão senoidal aplicada ao diodo.

O capacitor como elemento de filtragem

A capacidade de armazenamento de energia dos capacitores pode ser utilizada como recurso para realizar um processo de filtragem na tensão de saída de um circuito retificador. O capacitor é conectado diretamente nos terminais de saída da retificação.

Nos intervalos de tempo em que o diodo conduz circula corrente através da carga e também para o capacitor. Neste período o capacitor armazena energia.

Nos intervalos de bloqueio do diodo o capacitor tende a descarregar a energia armazenada nas armaduras.

Como não é possível a descarga através da retificação, porque o diodo está em bloqueio, a corrente de descarga se processa pela carga.

Como o capacitor está em paralelo com a carga, a tensão presente nas armaduras é aplicada a carga.

A corrente absorvida pela carga é fornecida pelo capacitor. Com o passar do tempo a tensão do capacitor diminui devido a sua descarga.

O capacitor permanece descarregado até que o diodo conduza novamente, fazendo uma recarga nas suas armaduras.

Com a colocação do capacitor a carga passa a receber tensão durante todo o tempo.

As figuras abaixo mostram uma comparação entre a tensão de saída de uma retificação de meia onda sem filtro e com filtro.

A presença de tensão sobre a carga durante todo o tempo, embora com o valor variável, proporciona a elevação do valor médio de tensão fornecido.

A colocação de um filtro aumenta o valor da tensão média de saída de um circuito retificador.

A tensão de ondulação

O capacitor colocado em circuito retificador esta sofrendo sucessivos processos de carga e descarga.

Nos períodos de condução do diodo o capacitor sofre carga e sua tensão aumenta. Nos períodos de bloqueio o capacitor se descarrega e a sua tensão diminui.

t 1 = tempo em que o capacitor sofre carga (sua tensão aumenta). t 2 = tempo em que o capacitor se descarrega parcialmente sobre a carga (sua tensão diminui).

A forma de onda da tensão de saída não chega a ser uma contínua pura, apresentando uma variação entre um valor máximo e um mínimo denominada de ondulação ou ripple.

Ondulação ou ripple é a variação de tensão existente no topo da CC fornecida por um circuito retificador com filtro.

A diferença de tensão entre o valor máximo e mínimo que a ondulação atinge é denominada de tensão de ondulação depico a pico, abreviada por Vondpp.

A tensão de ondulação na saída de uma fonte também é denominada de componente alternada de saída da fonte.

Um dos fatores que definem a qualidade de um circuito retificador e o valor da componente alternada presente na sua saída.

Quanto menor o valor da componente alternada presente na saída uma fonte melhor é a sua qualidade.

Fatores que influênciam na ondulação

A ondulação na saída de um circuito retificador depende fundamentalmente de três fatores:

• Da capacidade de armazenamento do capacitor
• Da corrente absorvida pela carga
• Do tempo que o capacitor permanece descarregando

Observando atentamente os fatores se verifica que todos influenciam na descarga do capacitor, que resulta na ondulação.

Os fatores que influenciam na ondulação são aqueles que influenciam na descarga do capacitor.

Entretanto, a corrente de carga é o ponto de partida para o cálculo da fonte. É necessário que o circuito projetado tenha capacidade de alimentar a carga mesmo na pior situação de consumo.

Por esta razão não se pode contar com modificações de consumo para melhorar o desempenho de saída de uma fonte de alimentação.

O tempo de descarga Influência a ondulação, visto que quanto mais tempo o capacitor descarrega, menor a tensão nas suas armaduras.

Por esta razão, para uma mesma carga e mesmo capacitor de filtro, os circuitos de onda completa tem menor ondulação.

Em onda completa o capacitor é carregado duas vezes a cada ciclo de entrada.

Tensão de saída nos

circuitos retificadores com

filtro

A tensão CC média de saída em circuitos retificadores com filtro é dada pela equação:

VCC = E M- 2

VONDpp

Onde:

V CC → tensão CC na saída

E M→ tensão de pico VCA. 2 , desconsiderando-se a queda nos diodos

VONDpp → tensão de ondulação de pico a pico

Quando um circuito retificador com filtro capacitivo está sem carga não há ondulação. A tensão de saída é uma CC perfeita.

A tensão de saída é, neste caso:

VCC = EM - 2

VONDpp

como VONDpp = 0 tem-se

VCC = EM ou VCC = VCA. 2

Conectando-se um osciloscópio em modo DC na saída da fonte a forma de onda observada seria uma CC pura.

Quando a carga é aplicada a ondulação aparece, fazendo com que a tensão de saída

caia para valores inferiores a EM.

A redução na tensão de saída se deve a ondulação, e será tanto maior quanto maior for a corrente solicitada pela carga.

A ligação da carga a uma fonte provoca o aparecimento da ondulação, resultando em uma redução da tensão de saída.

Admitindo-se uma carga que provoque uma ondulação de 3 Vpp.

V CC = EM - 2

VONDpp

E M= VCA. 2 (desprezando a queda no diodo)

VCC = 21,2 - 2

3 , 0 Vpp

V CC = 19,7V

A forma de onda da saída, observada em osciloscópio, em modo DC, seria mostrada na figura abaixo.

O valor médio da tensão de saída CC, devido a ondulação, cairia de 21,2V (sem carga) para 19,7V (média entre 21,2 e 18,2) devido a carga.

Observação da ondulação com osciloscópio

A ondulação é uma componente alternada presente no topo da forma de onda fornecida por uma fonte com filtro capacitivo e carga na saída.

Como o valor desta ondulação é normalmente igual ou menor que 10% do valor da CC fornecida pela fonte, tornasse difícil medir o seu valor exato usando o osciloscópio no modo DC.