Retificação de Diodo: Meia Onda, Onda Completa, PIV

Na eletrônica, a retificação é um processo no qual um diodo retificador converte um sinal de entrada CA de ciclo completo alternado em um sinal de saída CC de meio ciclo.

Um único diodo produz retificação de meia onda, e uma rede de 4 diodos produz uma retificação de onda completa

Neste artigo iremos analisar os processos de retificação de diodo de meia onda e onda completa, e outras propriedades através de funções que variam no tempo, como onda senoidal e onda quadrada. Ou seja, por meio de tensões e correntes que mudam sua magnitude e polaridade em relação ao tempo.

Consideraremos o diodo como um diodo ideal ignorando se é um diodo de silício ou um germânio, para minimizar complicações nos cálculos. Consideraremos o diodo como um diodo retificador padrão com capacidades de retificação padrão.

Retificação de meia onda

O diagrama mais simples mostrando um sinal variável no tempo aplicado a um diodo é mostrado no diagrama a seguir:

Aqui podemos ver uma forma de onda AC, onde o período T significa um ciclo completo da forma de onda, que é o valor médio ou a soma algébrica das porções ou as saliências acima e abaixo do eixo central.

Este tipo de circuito no qual um único diodo retificador é aplicado com uma entrada de sinal CA sinusoidal variável no tempo para gerar uma saída CC com metade do valor da entrada é chamado de retificador de meia onda . O diodo é referido como retificador neste circuito.

Durante o período entre t = 0 → T / 2 da forma de onda AC, a polaridade da tensão vi cria uma 'pressão' na direção conforme ilustrado no diagrama abaixo. Isso permite que o diodo ligue e conduza com a polaridade indicada logo acima do símbolo do diodo.

Como o diodo está conduzindo totalmente, a substituição do diodo por um curto-circuito produzirá uma saída conforme mostrado na imagem do lado direito acima.

Sem dúvida, a saída gerada parece ser uma replicação exata do sinal de entrada aplicado acima do eixo central da forma de onda.

Durante o período T / 2 → T, a polaridade do sinal de entrada vi torna-se negativa, o que faz com que o diodo se desligue, resultando em um circuito aberto equivalente entre os terminais do diodo. Devido a isso, a carga é incapaz de fluir através do caminho do diodo durante o período T / 2 → T, fazendo com que vo seja:

vo = iR = 0R = 0 V (usando a Lei de Ohm). A resposta pode ser visualizada no seguinte diagrama:

Neste diagrama, podemos ver que a saída DC Vo do diodo produz uma região positiva média líquida acima do eixo, para o ciclo completo de entrada, que pode ser determinado pela fórmula:

Vdc = 0,318 Vm (meia onda)

As tensões de entrada vi e de saída vo durante o processo de retificação de meia onda do diodo são apresentadas na figura a seguir:

A partir dos diagramas e da explicação acima, podemos definir a retificação de meia onda como um processo no qual metade do ciclo de entrada é eliminado pelo diodo em sua saída.

Usando um Diodo de Silício

Quando um diodo de silício é usado como o diodo retificador, uma vez que tem uma característica de queda de tensão direta de VT = 0,7 V, ele gera uma região de polarização direta, conforme mostrado na figura a seguir:

O VT = 0,7 V significa que agora o sinal de entrada deve ser de pelo menos 0,7 V para garantir que o diodo ligue com sucesso. Caso a entrada VT seja inferior a 0,7 V, simplesmente não ligaria o diodo e o diodo continuará em seu modo de circuito aberto, com Vo = 0 V.

Enquanto o diodo conduz durante o processo de retificação, ele gera uma saída DC que carrega um nível de tensão fixo para a diferença de tensão vo - vi, igual à queda direta discutida acima de 0,7 V. Podemos expressar este nível fixo com a seguinte fórmula:

vo = vi - VT

Isso produz uma redução na tensão média de saída acima do eixo, causando uma leve redução líquida da saída retificada do diodo.

Com referência à figura acima, se considerarmos que o Vm (nível de sinal de pico) seja adequadamente alto do que o VT, de modo que Vm >> VT, podemos avaliar o valor de saída DC médio do diodo usando a seguinte fórmula, com bastante precisão.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Mais precisamente, se o pico CA de entrada for suficientemente maior do que VT (queda direta) do diodo, então podemos simplesmente usar a fórmula anterior para estimar a saída DC retificada do diodo:

Vdc = 0,318 Vm

Exemplo resolvido para retificador de meia ponte

Problema:

Avalie a saída vo e descubra a magnitude DC da saída para o projeto do circuito mostrado abaixo:

Solução: Para a rede de circuitos acima, o diodo acenderá para a parte negativa do sinal de entrada, e vo será como indicado no esboço a seguir.

Durante todo o período do ciclo de entrada CA, a saída CC será:

Vdc = 0,318Vm = - 0,318 (20 V) = - 6,36 V

O sinal negativo indica a polaridade da saída DC que é oposta ao sinal fornecido no diagrama abaixo do problema.

Problema nº 2: Resolva o problema acima considerando que o diodo é um diodo de silício.

No caso de um diodo de silício, a forma de onda de saída seria assim:

E a saída DC pode ser calculada conforme explicado abaixo:

Vdc ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

A queda na tensão CC de saída devido ao fator de 0,7 V é em torno de 0,22 V ou aproximadamente 3,5%

Retificação Full-Wave

Quando um sinal sinusoidal CA é usado como entrada para retificação, a saída CC pode ser aprimorada para o nível de 100% usando um processo de retificação de onda completa.

O processo mais conhecido e fácil para conseguir isso é através do emprego de um diodo de 4 retificador de ponte rede conforme mostrado abaixo.

Quando o ciclo de entrada positiva progride através do período t = 0 a T / 2, a polaridade do sinal CA de entrada através do diodo e a saída do diodo são representados abaixo:

Aqui, podemos ver que devido ao arranjo especial da rede de diodos na ponte, quando D2, D3 conduzem, os diodos opostos D1, D4 permanecem polarizados reversamente e no estado OFF.

A saída líquida DC gerada a partir deste processo de retificação através de D2, D3 pode ser vista no diagrama acima. Como imaginamos que os diodos são ideais, a saída é vo = vin.

Agora, da mesma forma para o meio ciclo negativo do sinal de entrada, os diodos D1, D4 conduzem e os diodos D2, D3 vão para um estado DESLIGADO, conforme ilustrado abaixo:

Podemos ver claramente que a saída do retificador em ponte converteu os semiciclos positivos e negativos da entrada CA em dois semiciclos CC acima do eixo central.

Uma vez que esta região acima do eixo é agora duas vezes mais do que a região obtida para uma retificação de meia onda, a saída DC também se tornará duas vezes a magnitude, conforme calculado usando a seguinte fórmula:

Vdc = 2 (0,318Vm)

ou

Vdc = 0,636Vm (onda completa)

Conforme representado na figura acima, se em vez do diodo ideal um diodo de silício for usado, a aplicação da lei de tensão de Kirchhoff sobre a linha de condução nos daria o seguinte resultado:

vi - VT - vo - VT = 0, e vo = vi - 2VT,

Portanto, o pico de tensão de saída vo será:

Vomax = Vm - 2VT

Em uma situação em que V >> 2VT, podemos usar nossa equação anterior para obter o valor médio com um grau de precisão razoavelmente alto:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Mais uma vez, se tivermos Vm significativamente maior do que 2VT, o 2VT pode ser simplesmente ignorado e a equação pode ser resolvida como:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Tensão Inversa de Pico)

A tensão de pico inverso ou a classificação (PIV) que também é às vezes chamada de classificação de tensão de pico reverso (PRV) de um diodo torna-se um parâmetro crucial durante o projeto de circuitos retificadores.

É basicamente uma faixa de tensão de polarização reversa do diodo que não deve ser excedida, caso contrário, o diodo pode quebrar ao transitar para uma região chamada região de avalanche de zener.

Se aplicarmos a lei de tensão de Kirchhoff a um circuito retificador de meia onda como mostrado abaixo, isso simplesmente explica que a classificação PIV de um diodo deve ser maior do que o valor de pico da entrada de alimentação usada para a entrada do retificador.

Também para um retificador de ponte completa, o cálculo da classificação PIV é o mesmo do retificador de meia onda, ou seja:

PIV ≥ Vm, visto que Vm é a tensão total aplicada à carga conectada conforme ilustrado na figura a seguir.

Exemplos resolvidos para rede retificadora de ponte completa

Determine a forma de onda de saída para a seguinte rede de diodos e também calcule o nível de saída DC e o PIV seguro para cada diodo da rede.

Solução: Para o semiciclo positivo, o circuito se comportaria conforme descrito no diagrama a seguir:

Podemos redesenhar isso da seguinte maneira para melhor compreensão:

Aqui, vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

Para o semiciclo negativo, a função de condução dos diodos pode ser trocada, o que produzirá uma saída vo como mostrado abaixo:

A ausência de dois diodos na ponte resulta na redução da saída DC com uma magnitude:

Vdc = 0,636 (5 V) = 3,18 V

É exatamente o mesmo que obteríamos de um retificador de meia ponte com a mesma entrada.

O PIV será igual à tensão máxima gerada em R, que é 5 V, ou metade da necessária para uma meia onda retificada com a mesma entrada.