Circuitos eletrônicos - Guia rápido

Em Eletrônica, temos diferentes componentes que atendem a diferentes propósitos. Existem vários elementos que são usados em muitos tipos de circuitos, dependendo das aplicações.

Componentes eletrônicos

Semelhante a um tijolo que constrói uma parede, um componente é o tijolo básico de um circuito. UMAComponent é um elemento básico que contribui para o desenvolvimento de uma ideia em um circuit para execução.

Cada componente possui algumas propriedades básicas e o componente se comporta de acordo. Depende do lema do desenvolvedor usá-los para a construção do circuito pretendido. A imagem a seguir mostra alguns exemplos de componentes eletrônicos que são usados em diferentes circuitos eletrônicos.

Apenas para ter uma ideia, vejamos os tipos de componentes. Eles podem serActive Components ou Passive Components.

Componentes Ativos

Componentes ativos são aqueles que conduzem ao fornecer alguma energia externa.
Os componentes ativos produzem energia na forma de tensão ou corrente.
Examples - Diodos, transistores, transformadores, etc.

Componentes Passivos

Componentes passivos são aqueles que iniciam sua operação assim que são conectados. Nenhuma energia externa é necessária para sua operação.
Os componentes passivos armazenam e mantêm energia na forma de tensão ou corrente.
Examples - Resistores, capacitores, indutores, etc.

Também temos outra classificação como Linear e Non-Linear elementos

Componentes Lineares

Elementos ou componentes lineares são aqueles que têm relação linear entre corrente e tensão.
Os parâmetros dos elementos lineares não são alterados em relação à corrente e à tensão.
Examples - Diodos, transistores, transformadores, etc.

Componentes não lineares

Elementos ou componentes não lineares são aqueles que possuem uma relação não linear entre corrente e tensão.
Os parâmetros dos elementos não lineares são alterados em relação à corrente e à tensão.
Examples - Resistores, capacitores, indutores, etc.

Esses são os componentes destinados a vários fins, que juntos podem executar uma tarefa preferida para a qual foram construídos. Essa combinação de diferentes componentes é conhecida como umCircuit.

Circuitos eletrônicos

Um certo número de componentes quando conectados para um propósito de uma maneira específica torna um circuit. Um circuito é uma rede de diferentes componentes. Existem diferentes tipos de circuitos.

A imagem a seguir mostra diferentes tipos de circuitos eletrônicos. Mostra placas de circuito impresso, que são um grupo de circuitos eletrônicos conectados em uma placa.

Os circuitos eletrônicos podem ser agrupados em diferentes categorias, dependendo de sua operação, conexão, estrutura, etc. Vamos discutir mais sobre os tipos de circuitos eletrônicos.

Circuito Ativo

Um circuito que é construído usando componentes ativos é chamado de Active Circuit.
Geralmente contém uma fonte de alimentação da qual o circuito extrai mais energia e a entrega à carga.
Potência adicional é adicionada à saída e, portanto, a potência de saída é sempre maior do que a potência de entrada aplicada.
O ganho de poder sempre será maior do que a unidade.

Circuito Passivo

Um circuito que é construído usando componentes passivos é chamado de Passive Circuit.
Mesmo que contenha uma fonte de alimentação, o circuito não extrai energia.
A potência adicional não é adicionada à saída e, portanto, a potência de saída é sempre menor do que a potência de entrada aplicada.
O ganho de poder sempre será menor que a unidade.

Os circuitos eletrônicos também podem ser classificados como Analog, Digital, ou Mixed.

Circuito Analógico

Um circuito analógico pode ter componentes lineares. Portanto, é um circuito linear.
Um circuito analógico possui entradas de sinal analógico que são faixa contínua de tensões.

Circuito Digital

Um circuito digital pode ser aquele que possui componentes não lineares. Portanto, é um circuito não linear.
Ele pode processar apenas sinais digitais.
Um circuito digital possui entradas de sinal digital que são valores discretos.

Circuito de Sinal Misto

Um circuito de sinal misto pode ter componentes lineares e não lineares. Por isso, é chamado de circuito de sinal misto.
Esses circuitos consistem em circuitos analógicos junto com microprocessadores para processar a entrada.

Dependendo do tipo de conexão, os circuitos podem ser classificados como Series Circuit ou Parallel Circuit. Um circuito em série é aquele que está conectado em série e umparallel circuit é aquele que tem seus componentes conectados em paralelo.

Agora que temos uma ideia básica sobre componentes eletrônicos, vamos prosseguir e discutir seu propósito, que nos ajudará a construir circuitos melhores para diferentes aplicações. Qualquer que seja a finalidade de um circuito eletrônico (processar, enviar, receber, analisar), o processo é realizado na forma de sinais. No próximo capítulo, discutiremos os sinais e os tipos de sinais presentes nos circuitos eletrônicos.

UMA Signalpode ser entendido como “uma representação que dá algumas informações sobre os dados presentes na fonte a partir da qual são produzidos”. Isso geralmente varia com o tempo. Portanto, um sinal pode ser umsource of energy which transmits some information. Isso pode ser facilmente representado em um gráfico.

Exemplos

Um alarme dá um sinal de que está na hora.
Um apito de fogão confirma que a comida está cozida.
Uma luz vermelha sinaliza algum perigo.
Um sinal de tráfego indica sua mudança.
Um telefone toca sinalizando uma chamada para você.

Um sinal pode ser de qualquer tipo que transmita alguma informação. Este sinal produzido a partir de um equipamento eletrônico, é denominado comoElectronic Signal ou Electrical Signal. Geralmente são variantes de tempo.

Tipos de Sinais

Os sinais podem ser classificados como analógicos ou digitais, dependendo de suas características. Os sinais analógicos e digitais podem ser classificados posteriormente, conforme mostrado na imagem a seguir.

Sinal analógico

Um sinal contínuo variável no tempo, que representa uma quantidade variável no tempo, pode ser denominado como um Analog Signal. Este sinal continua variando com o tempo, de acordo com os valores instantâneos da grandeza que o representa.

Sinal digital

Um sinal que é discrete na natureza ou que é non-continuous na forma pode ser denominado como um Digital signal. Este sinal possui valores individuais, denotados separadamente, que não são baseados em valores anteriores, como se fossem derivados naquele determinado instante de tempo.

Sinal Periódico e Sinal Aperiódico

Qualquer sinal analógico ou digital, que repete seu padrão ao longo de um período de tempo, é chamado de Periodic Signal. Este sinal tem seu padrão continuado repetidamente e é fácil de ser assumido ou calculado.

Qualquer sinal analógico ou digital, que não repete seu padrão durante um período de tempo, é chamado de Aperiodic Signal. Este sinal tem seu padrão continuado, mas o padrão não se repete e não é tão fácil de ser assumido ou calculado.

Sinais e Notações

Entre o Periodic Signals, os sinais mais comumente usados são onda senoidal, onda cosseno, forma de onda triangular, onda quadrada, onda retangular, forma de onda dente de serra, forma de onda de pulso ou trem de pulso, etc. vamos dar uma olhada nessas formas de onda.

Sinal de etapa da unidade

O sinal de passo de unidade tem o valor de uma unidade de sua origem a uma unidade no eixo X. Isso é usado principalmente como um sinal de teste. A imagem do sinal de etapa da unidade é mostrada abaixo.

A função de etapa da unidade é denotada por $u\left ( t \right )$. É definido como -

$$ u \ left (t \ right) = \ left \ {\ begin {matrix} 1 & t \ geq 0 \\ 0 & t <0 \ end {matrix} \ right. $$

Sinal de Impulso da Unidade

O sinal de impulso unitário tem o valor de uma unidade em sua origem. Sua área é uma unidade. A imagem do sinal de impulso da unidade é mostrada abaixo.

A função de impulso unitário é denotada por ẟ(t). É definido como

$$\delta \left ( t \right )=\left\{\begin{matrix} \infty \:\:if \:\:t=0\\0 \:\:if \:\:t\neq 0\end{matrix}\right.$$

$$\int_{-\infty }^{\infty }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=1$$

$$\int_{-\infty }^{t }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=u\left ( t \right )$$

$$\delta \left ( t \right )=\frac{du\left ( t \right )}{d\left ( t \right )} $$

Sinal de rampa da unidade

O sinal de rampa unitária tem seu valor aumentando exponencialmente desde sua origem. A imagem do sinal de rampa unitária é mostrada abaixo.

A função de rampa unitária é denotada por u(t). É definido como -

$$\int_{0}^{t}u\left ( t \right ) d\left ( t \right )=\int_{0}^{t} 1 dt =t=r\left ( t \right )$$

$$u\left ( t \right )=\frac{dr\left ( t \right )}{dt}$$

Sinal Parabólico Unidade

O sinal parabólico unitário tem seu valor alterado como uma parábola em sua origem. A imagem do sinal parabólico da unidade é mostrada abaixo.

A função parabólica unitária é denotada por $u\left ( t \right )$. É definido como -

$$\int_{0}^{t}\int_{0}^{t}u\left ( t \right )dtdt=\int_{0}^{t}r\left ( t \right )dt=\int_{0}^{t} t.dt=\frac{t^{2}}{2}dt=x\left ( t \right )$$

$$r\left ( t \right )=\frac{dx\left ( t \right )}{dt}$$

$$u\left ( t \right )=\frac{d^{2}x\left ( t \right )}{dt^{2}}$$

Função Signum

A função Signum tem seu valor igualmente distribuído nos planos positivo e negativo desde sua origem. A imagem da função Signum é mostrada abaixo.

A função Signum é denotada por sgn(t). É definido como

$$ sgn \ left (t \ right) = \ left \ {\ begin {matrix} 1 \: \: for \: \: t \ geq 0 \\ - 1 \: \: for \: \: t <0 \ end {matriz} \ certo. $$

$$sgn\left ( t \right )=2u\left ( t \right ) -1$$

Sinal Exponencial

O sinal exponencial tem seu valor variando exponencialmente de sua origem. A função exponencial está na forma de -

$$x\left ( t \right ) =e^{\alpha t}$$

A forma do exponencial pode ser definida por $\alpha$. Esta função pode ser entendida em 3 casos

Case 1 -

E se $\alpha = 0\rightarrow x\left ( t \right )=e^{0}=1$

Case 2 -

Se $ \ alpha <0 $ então $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$ Onde $\alpha$é negativo. Esta forma é chamada dedecaying exponential.

Case 3 -

E se $\alpha > 0$ então $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$ Onde $\alpha$é positivo. Esta forma é chamada deraising exponential.

Sinal Retangular

O sinal retangular tem seu valor distribuído de forma retangular nos planos positivo e negativo desde sua origem. A imagem do sinal retangular é mostrada abaixo.

A função retangular é denotada por $x\left ( t \right )$. É definido como

$$x\left ( t \right )=A \:rect\left [ \frac{t}{T} \right ]$$

Sinal Triangular

O sinal retangular tem seu valor distribuído em forma triangular nos planos positivo e negativo desde sua origem. A imagem do sinal triangular é mostrada abaixo.

A função triangular é denotada por$x\left ( t \right )$. É definido como

$$x\left ( t \right )=A \left [ 1-\frac{\left | t \right |}{T} \right ]$$

Sinal Sinusoidal

O sinal sinusoidal tem seu valor variando sinusoidalmente desde sua origem. A imagem do sinal sinusoidal é mostrada abaixo.

A função sinusoidal é denotada por x (t). É definido como -

$$x\left ( t \right )=A \cos \left ( w_{0} t\pm \phi \right )$$

$$x\left ( t \right )=A sin\left ( w_{0}t\pm \phi \right )$$

Onde $T_{0}=\frac{2 \pi}{w_{0}}$

Função Sinc

O sinal Sinc tem seu valor variando de acordo com uma relação particular como na equação dada abaixo. Tem seu valor máximo na origem e vai diminuindo à medida que se afasta. A imagem de um sinal da função Sinc é mostrada abaixo.

A função Sinc é denotada por sinc(t). É definido como -

$$sinc\left ( t \right )=\frac{sin\left ( \pi t \right )}{\pi t}$$

Portanto, esses são os diferentes sinais que encontramos principalmente na área de Eletrônica e Comunicações. Cada sinal pode ser definido em uma equação matemática para tornar a análise do sinal mais fácil.

Cada sinal tem uma forma de onda particular, conforme mencionado anteriormente. O formato da onda pode alterar o conteúdo presente no sinal. De qualquer forma, é a decisão do engenheiro projetista de alterar uma onda ou não para um determinado circuito. Mas, para alterar a forma da onda, existem poucas técnicas que serão discutidas em unidades posteriores

Um sinal também pode ser chamado de Wave. Cada onda possui uma determinada forma quando é representada em um gráfico. Esta forma pode ser de diferentes tipos, como senoidal, quadrada, triangular, etc., que variam em relação ao período de tempo, ou podem ter algumas formas aleatórias, independentemente do período de tempo.

Tipos de modelagem de onda

Existem dois tipos principais de formação de onda. Eles são -

Formação de onda linear
Formação de onda não linear

Forma de onda linear

Elementos lineares como resistores, capacitores e indutores são empregados para formar um sinal nesta forma de onda linear. Uma entrada de onda senoidal tem uma saída de onda senoidal e, portanto, as entradas não-senoidais são usadas com mais destaque para entender o formato de onda linear.

Filtering é o processo de atenuar o sinal indesejado ou reproduzir as porções selecionadas dos componentes de frequência de um sinal particular.

Filtros

No processo de moldar um sinal, se algumas partes do sinal forem consideradas indesejadas, elas podem ser cortadas usando um circuito de filtro. A Filter is a circuit that can remove unwanted portions of a signal at its input. O processo de redução da força do sinal também é denominado comoAttenuation.

Temos poucos componentes que nos ajudam nas técnicas de filtragem.

UMA Capacitor tem a propriedade de allow AC e para block DC
A Inductor tem a propriedade de allow DC mas blocks AC.

Usando essas propriedades, esses dois componentes são especialmente usados para bloquear ou permitir AC ou DC. Os filtros podem ser projetados dependendo dessas propriedades.

Temos quatro tipos principais de filtros -

Filtro passa-baixo
Filtro passa-alto
Filtro passa-banda
Filtro de parada de banda

Vamos agora discutir esses tipos de filtros em detalhes.

Filtro passa-baixo

Um circuito de filtro que permite um conjunto de frequências abaixo de um valor especificado pode ser denominado como um Low pass filter. Este filtro passa as frequências mais baixas. O diagrama do circuito de um filtro passa-baixo usando RC e RL é mostrado abaixo.

O filtro de capacitor ou RC O filtro e o filtro indutor ou filtro RL atuam como filtros passa-baixa.

The RC filter- Como o capacitor é colocado em shunt, a CA que ele permite é aterrada. Isso ignora todos os componentes de alta frequência, enquanto permite DC na saída.
The RL filter- Como o indutor é colocado em série, o DC é permitido para a saída. O indutor bloqueia AC que não é permitido na saída.

O símbolo para um filtro passa-baixo (LPF) é fornecido abaixo.

Resposta de frequência

A resposta de frequência de um filtro prático é mostrada abaixo e a resposta de frequência de um LPF ideal quando as considerações práticas dos componentes eletrônicos não são consideradas, será a seguinte.

A frequência de corte para qualquer filtro é a frequência crítica $f_{c}$para o qual o filtro se destina a atenuar (cortar) o sinal. Um filtro ideal tem um corte perfeito, enquanto um prático tem poucas limitações.

O Filtro RLC

Depois de conhecer os filtros RC e RL, pode-se ter uma ideia que seria bom adicionar esses dois circuitos para ter uma melhor resposta. A figura a seguir mostra a aparência do circuito RLC.

O sinal na entrada passa pelo indutor que bloqueia AC e permite DC. Agora, essa saída é novamente passada pelo capacitor em shunt, que aterra o componente CA restante, se houver, presente no sinal, permitindo CC na saída. Portanto, temos um DC puro na saída. Este é um circuito passa-baixo melhor do que ambos.

Filtro passa-altas

Um circuito de filtro que permite um conjunto de frequências que são above a specified value pode ser denominado como um High pass filter. Este filtro passa pelas frequências mais altas. O diagrama do circuito de um filtro passa-alta usando RC e RL é mostrado abaixo.

O filtro de capacitor ou RC filtro e o filtro indutor ou RL filtro ambos atuam como filtros de passagem alta.

O Filtro RC

Como o capacitor é colocado em série, ele bloqueia os componentes DC e permite que os componentes AC saiam. Conseqüentemente, os componentes de alta frequência aparecem na saída através do resistor.

O Filtro RL

Como o indutor é colocado em shunt, o DC pode ser aterrado. O componente AC restante, aparece na saída. O símbolo para um filtro passa-alto (HPF) é mostrado abaixo.

Resposta de frequência

A resposta de frequência de um filtro prático é mostrada abaixo e a resposta de frequência de um HPF ideal quando as considerações práticas dos componentes eletrônicos não são consideradas será a seguinte.

O Filtro RLC

Depois de conhecer os filtros RC e RL, pode-se ter uma ideia que seria bom adicionar esses dois circuitos para ter uma melhor resposta. A figura a seguir mostra a aparência do circuito RLC.

O sinal na entrada passa pelo capacitor que bloqueia DC e permite AC. Agora, essa saída é passada novamente pelo indutor em shunt, que aterra o componente CC restante, se houver, presente no sinal, permitindo CA na saída. Portanto, temos um AC puro na saída. Este é um circuito de alta freqüência melhor do que os dois.

Filtro de passagem de banda

Um circuito de filtro que permite um conjunto de frequências que são between two specified values pode ser denominado como um Band pass filter. Este filtro passa uma banda de frequências.

Como precisamos eliminar algumas das frequências baixas e altas, para selecionar um conjunto de frequências especificadas, precisamos colocar em cascata um HPF e um LPF para obter um BPF. Isso pode ser compreendido facilmente, mesmo observando as curvas de resposta de frequência.

O diagrama de circuito de um filtro passa-banda é mostrado abaixo.

O circuito acima também pode ser construído usando circuitos RL ou circuitos RLC. O acima é um circuito RC escolhido para uma compreensão simples.

O símbolo para um filtro passa-banda (BPF) é fornecido abaixo.

Resposta de frequência

A resposta de frequência de um filtro prático é mostrada abaixo e a resposta de frequência de um BPF ideal quando as considerações práticas dos componentes eletrônicos não são consideradas, será a seguinte.

Filtro de parada de banda

Um circuito de filtro que bloqueia ou atenua um conjunto de frequências que são between two specified values pode ser denominado como um Band Stop filter. Este filtro rejeita uma banda de frequências e, portanto, também pode ser chamado deBand Reject Filter.

Como precisamos eliminar algumas das frequências baixas e altas, para selecionar um conjunto de frequências especificadas, precisamos colocar um LPF e um HPF em cascata para obter um BSF. Isso pode ser compreendido facilmente, mesmo observando as curvas de resposta de frequência.

O diagrama de circuito de um filtro de parada de banda é mostrado abaixo.

O circuito acima também pode ser construído usando circuitos RL ou circuitos RLC. O acima é um circuito RC escolhido para uma compreensão simples.

O símbolo para um filtro de parada de banda (BSF) é fornecido abaixo.

Resposta de frequência

A resposta de freqüência de um filtro prático é mostrada aqui abaixo e a resposta de freqüência de um BSF ideal quando as considerações práticas dos componentes eletrônicos não são consideradas será a seguinte.

Os circuitos de filtro passa-baixa e passa-alta são usados como circuitos especiais em muitas aplicações. O filtro passa-baixa (LPF) pode funcionar como umIntegrator, enquanto o filtro passa-alta (HPF) pode funcionar como um Differentiator. Essas duas funções matemáticas só são possíveis com esses circuitos, que reduzem os esforços de um engenheiro eletrônico em muitas aplicações.

Filtro passa-baixo como integrador

Em baixas frequências, a reatância capacitiva tende a se tornar infinita e em altas frequências a reatância torna-se zero. Portanto, em baixas frequências, o LPF tem saída finita e em altas frequências a saída é nula, o que é o mesmo para um circuito integrador. Portanto, pode-se dizer que o filtro passa-baixa funciona como umintegrator.

Para que o LPF se comporte como um integrador

$$\tau \gg T$$

Onde $\tau = RC$ a constante de tempo do circuito

Então, a variação da tensão em C é muito pequena.

$$V_{i}=iR+\frac{1}{C} \int i \:dt$$

$$V_{i}\cong iR$$

$$Since \:\: \frac{1}{C} \int i \:dt \ll iR$$

$$i=\frac{V_{i}}{R}$$

$$ Since \:\: V_{0}=\frac{1}{C}\int i dt =\frac{1}{RC}\int V_{i}dt=\frac{1}{\tau }\int V_{i} dt$$

$$Output \propto \int input$$

Portanto, um LPF com grande constante de tempo produz uma saída que é proporcional à integral de uma entrada.

Resposta de frequência

A resposta em frequência de um filtro passa-baixas prático, quando funciona como um integrador, é a seguinte.

Forma de onda de saída

Se o circuito integrador receber uma entrada de onda senoidal, a saída será uma onda cosseno. Se a entrada for uma onda quadrada, a forma da onda de saída muda de forma e aparece como na figura abaixo.

Filtro passa-altas como diferenciador

Em baixas frequências, a saída de um diferenciador é zero, enquanto em altas frequências, sua saída é de algum valor finito. É o mesmo que para um diferenciador. Conseqüentemente, o filtro passa-alto se comporta como um diferenciador.

Se a constante de tempo do RC HPF for muito menor do que o período de tempo do sinal de entrada, o circuito se comporta como um diferenciador. Então, a queda de tensão em R é muito pequena quando comparada à queda em C.

$$V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt +iR$$

Mas $iR=V_{0}$ é pequeno

$$since V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt$$

$$i=\frac{V_{0}}{R}$$

$$Since \: V_{i} =\frac{1}{\tau }\int V_{0} \:dt$$

Onde $\tau =RC$ a constante de tempo do circuito.

Diferenciando em ambos os lados,

$$\frac{dV_{i}}{dt}=\frac{V_0}{\tau }$$

$$V_{0}=\tau \frac{dV_{i}}{dt}$$

$$Since \:V_{0}\propto \frac{dV_{i}}{dt}$$

A saída é proporcional ao diferencial do sinal de entrada.

Resposta de frequência

A resposta em frequência de um filtro passa-alta prático, quando funciona como um Diferenciador, é mostrada a seguir.

Forma de onda de saída

Se o circuito diferenciador receber uma entrada de onda senoidal, a saída será uma onda cosseno. Se a entrada for uma onda quadrada, a forma da onda de saída muda de forma e aparece como na figura abaixo.

Esses dois circuitos são usados principalmente em várias aplicações eletrônicas. Um circuito diferenciador produz uma tensão de saída constante quando a entrada aplicada tende a mudar constantemente. Um circuito integrador produz uma tensão de saída em constante mudança quando a tensão de entrada aplicada é constante.

Junto com os resistores, os elementos não lineares como diodessão usados em circuitos de modelagem de onda não linear para obter as saídas alteradas necessárias. Ou a forma da onda é atenuada ou o nível CC da onda é alterado na forma de onda não linear.

O processo de produção de formas de onda de saída não senoidal a partir de entrada senoidal, usando elementos não lineares, é chamado de nonlinear wave shaping.

Circuitos Clipper

Um circuito Clipper é um circuito que rejects the part da onda de entrada especificada enquanto allowing the remainingparte. A porção da onda acima ou abaixo da tensão de corte determinada é cortada ou cortada.

Os circuitos de clipping consistem em elementos lineares e não lineares como resistores e diodos, mas não em elementos de armazenamento de energia como capacitores. Esses circuitos de clipagem têm muitas aplicações, pois são vantajosos.

A principal vantagem dos circuitos de corte é eliminar o ruído indesejado presente nas amplitudes.
Eles podem funcionar como conversores de ondas quadradas, pois podem converter ondas senoidais em ondas quadradas por corte.
A amplitude da onda desejada pode ser mantida em um nível constante.

Entre os Clippers de Diodo, os dois tipos principais são positive e negative clippers. Discutiremos esses dois tipos de tosquiadeiras nos próximos dois capítulos.

O circuito Clipper que se destina a atenuar porções positivas do sinal de entrada pode ser denominado como um Positive Clipper. Entre os circuitos clipper de diodo positivo, temos os seguintes tipos -

Positive Series Clipper
Clipper série positiva com positivo $V_{r}$ (Voltagem de referência)
Clipper série positiva com negativo $V_{r}$
Shunt Clipper positivo
Shunt Clipper positivo com positivo $V_{r}$
Shunt Clipper positivo com negativo $V_{r}$

Vamos discutir cada um desses tipos em detalhes.

Positive Series Clipper

Um circuito Clipper em que o diodo é conectado em série ao sinal de entrada e que atenua as porções positivas da forma de onda, é denominado como Positive Series Clipper. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper série positiva.

Positive Cycle of the Input- Quando a tensão de entrada é aplicada, o ciclo positivo da entrada torna o ponto A no circuito positivo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado reversamente e, portanto, ele se comporta como uma chave aberta. Assim, a tensão através do resistor de carga torna-se zero, pois nenhuma corrente flui através dele e, portanto,$V_{0}$ será zero.

Negative Cycle of the Input- O ciclo negativo da entrada torna o ponto A no circuito negativo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado direto e, portanto, ele conduz como uma chave fechada. Assim, a tensão através do resistor de carga será igual à tensão de entrada aplicada, uma vez que aparece completamente na saída$V_{0}$.

Formas de onda

Nas figuras acima, se as formas de onda forem observadas, podemos entender que apenas uma parte do pico positivo foi cortada. Isso ocorre por causa da tensão em V0. Mas a saída ideal não era para ser assim. Vamos dar uma olhada nas seguintes figuras.

Ao contrário da saída ideal, uma porção de bit do ciclo positivo está presente na saída prática devido à tensão de condução do diodo que é 0,7v. Portanto, haverá uma diferença nas formas de onda de saída prática e ideal.

Clipper série positiva com positivo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em série ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência positiva $V_{r}$ e que atenua as porções positivas da forma de onda, é denominado como Positive Series Clipper with positive $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper série positiva quando a tensão de referência aplicada é positiva.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo recebe polarização reversa e a tensão de referência aparece na saída. Durante seu ciclo negativo, o diodo é polarizado para frente e conduz como uma chave fechada. Conseqüentemente, a forma de onda de saída aparece conforme mostrado na figura acima.

Clipper série positiva com negativo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em série ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência negativa $V_{r}$ e que atenua as porções positivas da forma de onda, é denominado como Positive Series Clipper with negative $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper série positiva, quando a tensão de referência aplicada é negativa.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo recebe polarização reversa e a tensão de referência aparece na saída. Como a tensão de referência é negativa, a mesma tensão com amplitude constante é mostrada. Durante seu ciclo negativo, o diodo é polarizado para frente e conduz como uma chave fechada. Portanto, o sinal de entrada maior que a tensão de referência aparece na saída.

Shunt Clipper positivo

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em shunt ao sinal de entrada e que atenua as partes positivas da forma de onda, é denominado como Positive Shunt Clipper. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper shunt positivo.

Positive Cycle of the Input- Quando a tensão de entrada é aplicada, o ciclo positivo da entrada torna o ponto A no circuito positivo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado direto e, portanto, ele conduz como uma chave fechada. Assim, a tensão através do resistor de carga torna-se zero, pois nenhuma corrente flui através dele e, portanto,$V_{0}$ será zero.

Negative Cycle of the Input- O ciclo negativo da entrada torna o ponto A no circuito negativo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado reversamente e, portanto, ele se comporta como uma chave aberta. Assim, a tensão através do resistor de carga será igual à tensão de entrada aplicada, uma vez que aparece completamente na saída$V_{0}$.

Formas de onda

Nas figuras acima, se as formas de onda forem observadas, podemos entender que apenas uma parte do pico positivo foi cortada. Isso ocorre por causa da tensão em$V_{0}$. Mas a saída ideal não era para ser assim. Vamos dar uma olhada nas seguintes figuras.

Shunt Clipper positivo com positivo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em derivação ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência positiva $V_{r}$ e que atenua as porções positivas da forma de onda, é denominado como Positive Shunt Clipper with positive $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper shunt positivo quando a tensão de referência aplicada é positiva.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo obtém polarização direta e nada além da tensão de referência aparece na saída. Durante seu ciclo negativo, o diodo recebe polarização reversa e se comporta como uma chave aberta. Toda a entrada aparece na saída. Conseqüentemente, a forma de onda de saída aparece conforme mostrado na figura acima.

Shunt Clipper positivo com negativo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em derivação ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência negativa $V_{r}$ e que atenua as porções positivas da forma de onda, é denominado como Positive Shunt Clipper with negative $V_{r}$.

A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper shunt positivo, quando a tensão de referência aplicada é negativa.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo obtém polarização direta e a tensão de referência aparece na saída. Como a tensão de referência é negativa, a mesma tensão com amplitude constante é mostrada. Durante seu ciclo negativo, o diodo recebe polarização reversa e se comporta como uma chave aberta. Portanto, o sinal de entrada maior que a tensão de referência aparece na saída.

O circuito Clipper que se destina a atenuar porções negativas do sinal de entrada pode ser denominado como um Negative Clipper. Entre os circuitos clipper de diodo negativo, temos os seguintes tipos.

Negative Series Clipper
Clipper de série negativa com positivo $V_{r}$ (Voltagem de referência)
Negative Series Clipper com negativo $V_{r}$
Shunt Clipper negativo
Shunt Clipper negativo com positivo $V_{r}$
Shunt Clipper negativo com negativo $V_{r}$

Vamos discutir cada um desses tipos em detalhes.

Negative Series Clipper

Um circuito Clipper em que o diodo é conectado em série ao sinal de entrada e que atenua as porções negativas da forma de onda, é denominado como Negative Series Clipper. A figura a seguir representa o diagrama de circuito do clipper de série negativa.

Positive Cycle of the Input- Quando a tensão de entrada é aplicada, o ciclo positivo da entrada torna o ponto A no circuito positivo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado direto e, portanto, ele age como uma chave fechada. Assim, a tensão de entrada aparece completamente no resistor de carga para produzir a saída$V_{0}$.

Negative Cycle of the Input- O ciclo negativo da entrada torna o ponto A no circuito negativo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado reversamente e, portanto, ele atua como uma chave aberta. Assim, a tensão através do resistor de carga será zero, fazendo$V_{0}$ zero.

Formas de onda

Nas figuras acima, se as formas de onda forem observadas, podemos entender que apenas uma parte do pico negativo foi cortada. Isso ocorre por causa da tensão em$V_{0}$. Mas a saída ideal não era para ser assim. Vamos dar uma olhada nas seguintes figuras.

Ao contrário da saída ideal, uma porção de bit do ciclo negativo está presente na saída prática devido à tensão de condução do diodo que é 0,7v. Portanto, haverá uma diferença nas formas de onda de saída prática e ideal.

Clipper de série negativa com positivo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em série ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência positiva $V_{r}$ e que atenua as partes negativas da forma de onda, é denominado como Negative Series Clipper with positive $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito do clipper de série negativa quando a tensão de referência aplicada é positiva.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo começa a conduzir apenas quando o valor da tensão do ânodo excede o valor da tensão do cátodo do diodo. Como a tensão do cátodo é igual à tensão de referência aplicada, a saída será conforme mostrado.

Negative Series Clipper com negativo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em série ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência negativa $V_{r}$ e que atenua as partes negativas da forma de onda, é denominado como Negative Series Clipper with negative $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper série negativa, quando a tensão de referência aplicada é negativa.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo é polarizado diretamente e o sinal de entrada aparece na saída. Durante seu ciclo negativo, o diodo recebe polarização reversa e, portanto, não conduz. Mas a tensão de referência negativa sendo aplicada, aparece na saída. Conseqüentemente, o ciclo negativo da forma de onda de saída é cortado após este nível de referência.

Shunt Clipper negativo

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em shunt ao sinal de entrada e que atenua as partes negativas da forma de onda, é denominado Clipper Shunt Negativo. A figura a seguir representa o diagrama de circuito paranegative shunt clipper.

Positive Cycle of the Input- Quando a tensão de entrada é aplicada, o ciclo positivo da entrada torna o ponto A no circuito positivo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado reversamente e, portanto, ele se comporta como uma chave aberta. Assim, a tensão através do resistor de carga é igual à tensão de entrada aplicada, uma vez que aparece completamente na saída$V_{0}$

Negative Cycle of the Input- O ciclo negativo da entrada torna o ponto A no circuito negativo em relação ao ponto B. Isso torna o diodo polarizado direto e, portanto, ele conduz como uma chave fechada. Assim, a tensão no resistor de carga torna-se zero, pois nenhuma corrente flui por ele.

Formas de onda

Shunt Clipper negativo com positivo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em derivação ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência positiva $V_{r}$ e que atenua as partes negativas da forma de onda, é denominado como Negative Shunt Clipper with positive $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito para clipper de shunt negativo quando a tensão de referência aplicada é positiva.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo recebe polarização reversa e se comporta como uma chave aberta. Portanto, toda a tensão de entrada, que é maior do que a tensão de referência aplicada, aparece na saída. O sinal abaixo do nível de tensão de referência é cortado.

Durante o meio-ciclo negativo, conforme o diodo é polarizado para frente e o loop é concluído, nenhuma saída está presente.

Shunt Clipper negativo com negativo $V_{r}$

Um circuito Clipper no qual o diodo é conectado em derivação ao sinal de entrada e polarizado com tensão de referência negativa $V_{r}$ e que atenua as partes negativas da forma de onda, é denominado como Negative Shunt Clipper with negative $V_{r}$. A figura a seguir representa o diagrama de circuito do clipper de shunt negativo, quando a tensão de referência aplicada é negativa.

Durante o ciclo positivo da entrada, o diodo recebe polarização reversa e se comporta como uma chave aberta. Então, toda a tensão de entrada, aparece na saída$V_{o}$. Durante o semiciclo negativo, o diodo obtém polarização direta. A tensão negativa até a tensão de referência chega na saída e o sinal restante é cortado.

Clipper de duas vias

Este é um clipper positivo e negativo com uma tensão de referência $V_{r}$. A tensão de entrada é cortada bidirecionalmente nas partes positiva e negativa da forma de onda de entrada com duas tensões de referência. Para isso, dois diodos$D_{1}$ e $D_{2}$ junto com duas tensões de referência $V_{r1}$ e $V_{r2}$ estão conectados no circuito.

Este circuito também é chamado de Combinational Clippero circuito. A figura abaixo mostra a disposição do circuito para um circuito clipper bidirecional ou combinacional junto com sua forma de onda de saída.

Durante a metade positiva do sinal de entrada, o diodo $D_{1}$ conduz fazendo a tensão de referência $V_{r1}$aparecem na saída. Durante a metade negativa do sinal de entrada, o diodo$D_{2}$ conduz fazendo a tensão de referência $V_{r1}$aparecem na saída. Conseqüentemente, ambos os diodos conduzem alternativamente para cortar a saída durante os dois ciclos. A saída é obtida através do resistor de carga.

Com isso, terminamos com os principais circuitos clipper. Vamos ver os circuitos do clamper no próximo capítulo.

Um Circuito Clamper é um circuito que adiciona um nível DC a um sinal AC. Na verdade, os picos positivos e negativos dos sinais podem ser colocados nos níveis desejados usando os circuitos de fixação. Conforme o nível DC é alterado, um circuito clamper é chamado deLevel Shifter.

Os circuitos do clamper consistem em elementos de armazenamento de energia, como capacitores. Um circuito clamper simples é composto por um capacitor, um diodo, um resistor e uma bateria CC, se necessário.

Circuito Clamper

Um circuito Clamper pode ser definido como o circuito que consiste em um diodo, um resistor e um capacitor que muda a forma de onda para um nível DC desejado sem alterar a aparência real do sinal aplicado.

Para manter o período de tempo da forma de onda, o tau deve ser maior que, metade do período de tempo (o tempo de descarga do capacitor deve ser lento.)

$$\tau = Rc$$

Onde

R é a resistência do resistor empregado
C é a capacitância do capacitor usado

A constante de tempo de carga e descarga do capacitor determina a saída de um circuito clamper.

Em um circuito de grampo, um deslocamento vertical para cima ou para baixo ocorre na forma de onda de saída em relação ao sinal de entrada.
O resistor de carga e o capacitor afetam a forma de onda. Portanto, o tempo de descarga do capacitor deve ser grande o suficiente.

O componente CC presente na entrada é rejeitado quando uma rede acoplada a capacitor é usada (pois um capacitor bloqueia CC). Daí quandodc precisa ser restored, o circuito de fixação é usado.

Tipos de Pinças

Existem alguns tipos de circuitos de fixação, como

Pinça Positiva
Clamper positivo com positivo $V_r$
Clamper positivo com negativo $V_r$
Grampo Negativo
Grampo negativo com positivo $V_{r}$
Clamper negativo com negativo $V_{r}$

Vamos examiná-los em detalhes.

Circuito Clamper Positivo

Um circuito de fixação restaura o nível DC. Quando um pico negativo do sinal é elevado acima do nível zero, o sinal é consideradopositively clamped.

Um circuito Clamper Positivo é aquele que consiste em um diodo, um resistor e um capacitor e que muda o sinal de saída para a porção positiva do sinal de entrada. A figura abaixo explica a construção de um circuito clamper positivo.

Inicialmente, quando a entrada é fornecida, o capacitor ainda não está carregado e o diodo é polarizado reversamente. A saída não é considerada neste momento. Durante o meio ciclo negativo, no valor de pico, o capacitor é carregado com negativo em uma placa e positivo na outra. O capacitor agora está carregado com seu valor de pico$V_{m}$. O diodo é polarizado direto e conduz fortemente.

Durante o próximo semiciclo positivo, o capacitor é carregado com Vm positivo enquanto o diodo recebe polarização reversa e abre o circuito. A saída do circuito neste momento será

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

Portanto, o sinal é positivamente fixado, conforme mostrado na figura acima. O sinal de saída muda de acordo com as mudanças na entrada, mas muda o nível de acordo com a carga do capacitor, à medida que adiciona a tensão de entrada.

Clamper positivo com V _r positivo

Um circuito clamper positivo se polarizado com alguma tensão de referência positiva, essa tensão será adicionada à saída para aumentar o nível de fixação. Usando isso, o circuito do clamper positivo com tensão de referência positiva é construído conforme abaixo.

Durante o meio ciclo positivo, a voltagem de referência é aplicada através do diodo na saída e conforme a voltagem de entrada aumenta, a voltagem do cátodo do diodo aumenta em relação à voltagem do ânodo e, portanto, ele para de conduzir. Durante o semiciclo negativo, o diodo é polarizado para frente e começa a conduzir. A tensão no capacitor e a tensão de referência juntas mantêm o nível de tensão de saída.

Grampo positivo com negativo $V_{r}$

Um circuito de grampo positivo se polarizado com alguma tensão de referência negativa, essa tensão será adicionada à saída para aumentar o nível de grampo. Usando isso, o circuito do clamper positivo com tensão de referência positiva é construído conforme abaixo.

Durante o semiciclo positivo, a tensão no capacitor e a tensão de referência mantêm o nível de tensão de saída. Durante o meio-ciclo negativo, o diodo conduz quando a voltagem do cátodo fica menor que a voltagem do ânodo. Essas mudanças fazem a tensão de saída conforme mostrado na figura acima.

Grampo Negativo

Um circuito Clamper negativo é aquele que consiste em um diodo, um resistor e um capacitor e que muda o sinal de saída para a parte negativa do sinal de entrada. A figura abaixo explica a construção de um circuito de pinça negativo.

Durante o meio ciclo positivo, o capacitor é carregado até seu valor de pico $v_{m}$. O diodo é polarizado direto e conduz. Durante o meio ciclo negativo, o diodo recebe polarização reversa e fica em circuito aberto. A saída do circuito neste momento será

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

Portanto, o sinal é fixado negativamente, conforme mostrado na figura acima. O sinal de saída muda de acordo com as mudanças na entrada, mas muda o nível de acordo com a carga do capacitor, à medida que adiciona a tensão de entrada.

Clamper negativo com V _r positivo

Um circuito de grampo negativo, se polarizado com alguma tensão de referência positiva, essa tensão será adicionada à saída para aumentar o nível de grampo. Usando isso, o circuito do grampo negativo com tensão de referência positiva é construído conforme abaixo.

Embora a tensão de saída seja negativamente fixada, uma parte da forma de onda de saída é elevada ao nível positivo, já que a tensão de referência aplicada é positiva. Durante o meio-ciclo positivo, o diodo conduz, mas a saída é igual à tensão de referência positiva aplicada. Durante o meio ciclo negativo, o diodo atua como circuito aberto e a tensão no capacitor forma a saída.

Grampo negativo com V _r negativo

Um circuito de grampo negativo se polarizado com alguma tensão de referência negativa, essa tensão será adicionada à saída para aumentar o nível de grampo. Usando isso, o circuito do grampo negativo com tensão de referência negativa é construído como abaixo.

O cátodo do diodo é conectado com uma tensão de referência negativa, que é menor que a de zero e a tensão do ânodo. Portanto, o diodo começa a conduzir durante o meio ciclo positivo, antes do nível de tensão zero. Durante o meio ciclo negativo, a tensão através do capacitor aparece na saída. Assim, a forma de onda é fixada na parte negativa.

Formulários

Existem muitas aplicações para Clippers e Clampers, como

Clippers

Usado para a geração e modelagem de formas de onda
Usado para a proteção de circuitos de picos
Usado para restauradores de amplitude
Usado como limitadores de tensão
Usado em circuitos de televisão
Usado em transmissores FM

Pinças

Usado como restauradores de corrente contínua
Usado para remover distorções
Usado como multiplicador de tensão
Usado para a proteção de amplificadores
Usado como equipamento de teste
Usado como estabilizador de linha de base

Junto com os circuitos de modelagem de onda, como clippers e clampers, diodos são usados para construir outros circuitos, como limitadores e multiplicadores de tensão, que discutiremos neste capítulo. Os diodos também têm outra aplicação importante conhecida como retificadores, que será discutida posteriormente.

Limiters

Outro nome com que nos deparamos com frequência ao passar por esses clippers e clampers é o circuito limitador. UMAlimiter circuito pode ser entendido como aquele que limita a tensão de saída de exceder um valor pré-determinado.

Este é mais ou menos um circuito clipper que não permite que o valor especificado do sinal seja ultrapassado. Na verdade, o recorte pode ser denominado como uma extensão extrema de limitação. Portanto, a limitação pode ser entendida como um recorte suave.

A imagem a seguir mostra alguns exemplos de circuitos limitadores -

O desempenho de um circuito limitador pode ser entendido a partir de sua curva característica de transferência. Um exemplo dessa curva é o seguinte.

Os limites inferior e superior são especificados no gráfico que indica as características do limitador. A tensão de saída para tal gráfico pode ser entendida como

$$V_{0}= L_{-},KV_{i},L_{+}$$

Onde

$$L_{-}=V_{i}\leq \frac{L_{-}}{k}$$

$$ KV_ {i} = \ frac {L _ {-}} {k} <V_ {i} <\ frac {L _ {+}} {k} $$

$$L_{+}=V_{i}\geq \frac{L_{+}}{K}$$

Tipos de Limitadores

Existem alguns tipos de limitadores, como

Unipolar Limiter - Este circuito limita o sinal de uma maneira.
Bipolar Limiter - Este circuito limita o sinal de duas maneiras.
Soft Limiter - A saída pode mudar neste circuito mesmo para uma ligeira mudança na entrada.
Hard Limiter - A saída não mudará facilmente com a mudança no sinal de entrada.
Single Limiter - Este circuito emprega um diodo para limitação.
Double Limiter - Este circuito emprega dois diodos para limitação.

Multiplicadores de tensão

Existem aplicações em que a tensão precisa ser multiplicada em alguns casos. Isso pode ser feito facilmente com a ajuda de um circuito simples usando diodos e capacitores. A tensão se dobrada, tal circuito é chamado de Voltage Doubler. Isso pode ser estendido para fazer um triplo de tensão ou um quadruplicador de tensão ou assim por diante para obter altas tensões DC.

Para obter uma melhor compreensão, vamos considerar um circuito que multiplica a tensão por um fator de 2. Este circuito pode ser chamado de Voltage Doubler. A figura a seguir mostra o circuito de um dobrador de tensão.

A tensão de entrada aplicada será um sinal AC que está na forma de uma onda senoidal, conforme mostrado na figura abaixo.

Trabalhando

O circuito multiplicador de tensão pode ser compreendido analisando cada meio ciclo do sinal de entrada. Cada ciclo faz com que os diodos e os capacitores funcionem de maneira diferente. Vamos tentar entender isso.

During the first positive half cycle - Quando o sinal de entrada é aplicado, o capacitor $C_{1}$ está carregado e o diodo $D_{1}$é inclinado para a frente. Enquanto o diodo$D_{2}$ é polarizado reverso e o capacitor $C_{2}$não recebe nenhuma cobrança. Isso torna a saída$V_{0}$ ser estar $V_{m}$

Isso pode ser entendido na figura a seguir.

Portanto, durante 0 a $\pi$, a tensão de saída produzida será $V_{max}$. O capacitor$C_{1}$ é carregado através do diodo polarizado direto $D_{1}$ para dar a saída, enquanto $C_{2}$não cobra. Esta tensão aparece na saída.

During the negative half cycle - Depois disso, quando chega o meio ciclo negativo, o diodo $D_{1}$ recebe polarização reversa e o diodo $D_{2}$fica inclinado para a frente. O diodo$D_{2}$ obtém a carga através do capacitor $C_{2}$que é cobrado durante este processo. A corrente então flui através do capacitor$C_{1}$que descarrega. Isso pode ser entendido na figura a seguir.

Portanto, durante $\pi$ para $2\pi$, a tensão através do capacitor $C_{2}$ será $V_{max}$. Enquanto o capacitor$C_{1}$que está totalmente carregado, tende a descarregar. Agora, as tensões de ambos os capacitores juntos aparecem na saída, que é$2V_{max}$. Então, a tensão de saída$V_{0}$ durante este ciclo é $2V_{max}$

During the next positive half cycle - O capacitor $C_{1}$ é carregado com a alimentação e o diodo $D_{1}$fica inclinado para a frente. O capacitor$C_{2}$ mantém a carga, pois não encontrará uma maneira de descarregar e o diodo $D_{2}$obtém polarização reversa. Agora, a tensão de saída$V_{0}$ deste ciclo obtém as tensões de ambos os capacitores que juntos aparecem na saída, que é $2V_{max}$.

During the next negative half cycle - O próximo meio ciclo negativo torna o capacitor $C_{1}$ para descarregar novamente de sua carga total e o diodo $D_{1}$ reverter o viés enquanto $D_{2}$ frente e capacitor $C_{2}$para carregar mais para manter sua tensão. Agora, a tensão de saída$V_{0}$ deste ciclo obtém as tensões de ambos os capacitores que juntos aparecem na saída, que é $2V_{max}$.

Portanto, a tensão de saída $V_{0}$ é mantido para ser $2V_{max}$ ao longo de sua operação, o que torna o circuito um dobrador de tensão.

Multiplicadores de tensão são usados principalmente onde altas tensões CC são necessárias. Por exemplo, tubos de raios catódicos e tela de computador.

Divisor de Tensão

Enquanto diodos são usados para multiplicar a tensão, um conjunto de resistores em série pode ser transformado em uma pequena rede para dividir a tensão. Essas redes são chamadas deVoltage Divider redes.

O divisor de tensão é um circuito que transforma uma tensão maior em uma menor. Isso é feito usando resistores conectados em série. A saída será uma fração da entrada. A tensão de saída depende da resistência da carga que ela aciona.

Vamos tentar saber como funciona um circuito divisor de tensão. A figura abaixo é um exemplo de uma rede divisora de tensão simples.

Se tentarmos desenhar uma expressão para a tensão de saída,

$$V_{i}=i\left ( R_{1}+R_{2} \right )$$

$$i=\frac{V-{i}}{\left ( R_{1}+R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=i \:R_{2}\rightarrow \:i\:=\frac{V_{0}}{R_{2}}$$

Comparando ambos,

$$\frac{V_{0}}{R_{2}}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

Esta é a expressão para obter o valor da tensão de saída. Portanto, a tensão de saída é dividida dependendo dos valores de resistência dos resistores na rede. Mais resistores são adicionados para ter diferentes frações de diferentes tensões de saída.

Vejamos um exemplo de problema para entender mais sobre os divisores de tensão.

Exemplo

Calcule a tensão de saída de uma rede tendo uma tensão de entrada de 10v com dois resistores em série 2kΩ e 5kΩ.

A tensão de saída $V_{0}$ É dado por

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

$$=\frac{10}{\left ( 2 + 5 \right )k\Omega }5k\Omega$$

$$=\frac{10}{7}\times 5=\frac{50}{7}$$

$$=7.142v$$

A tensão de saída $V_0$ para o problema acima é 7.14v

O diodo é uma junção PN de dois terminais que pode ser usada em várias aplicações. Uma dessas aplicações é um interruptor elétrico. A junção PN, quando polarizada direta atua como circuito fechado e quando polarizada reversa atua como circuito aberto. Portanto, a mudança dos estados polarizados direto e reverso faz com que o diodo funcione como um interruptor, oforward ser ON e a reverse ser OFF Estado.

Interruptores elétricos sobre interruptores mecânicos

Interruptores elétricos são uma escolha preferida em relação aos interruptores mecânicos devido aos seguintes motivos -

Interruptores mecânicos são propensos à oxidação de metais, enquanto interruptores elétricos não.
Os interruptores mecânicos têm contatos móveis.
Eles são mais sujeitos a estresse e tensão do que interruptores elétricos.
Os interruptores mecânicos gastos e rasgados geralmente afetam seu funcionamento.

Portanto, uma chave elétrica é mais útil do que uma chave mecânica.

Trabalho do diodo como um interruptor

Sempre que uma tensão especificada é excedida, a resistência do diodo aumenta, fazendo com que o diodo seja polarizado de forma reversa e ele atua como uma chave aberta. Sempre que a tensão aplicada está abaixo da tensão de referência, a resistência do diodo diminui, tornando o diodo polarizado diretamente, e ele atua como uma chave fechada.

O circuito a seguir explica o diodo atuando como uma chave.

Um diodo de comutação tem uma junção PN na qual a região P é levemente dopada e a região N é fortemente dopada. O circuito acima simboliza que o diodo fica LIGADO quando a tensão positiva polariza o diodo e ele DESLIGA quando a voltagem negativa polariza o diodo.

Toque

À medida que a corrente direta flui até então, com uma voltagem reversa repentina, a corrente reversa flui para uma instância em vez de ser desligada imediatamente. Quanto maior for a corrente de fuga, maior será a perda. O fluxo de corrente reversa, quando o diodo é polarizado de repente, pode às vezes criar poucas oscilações, chamadas deRINGING.

Essa condição de toque é uma perda e, portanto, deve ser minimizada. Para fazer isso, os tempos de comutação do diodo devem ser entendidos.

Tempos de troca de diodo

Ao alterar as condições de polarização, o diodo sofre uma transient response. A resposta de um sistema a qualquer mudança repentina de uma posição de equilíbrio é chamada de resposta transitória.

A mudança repentina de polarização direta para reversa e de polarização reversa para direta afeta o circuito. O tempo necessário para responder a essas mudanças repentinas é o critério importante para definir a eficácia de uma chave elétrica.

O tempo que leva antes que o diodo recupere seu estado estacionário é chamado de Recovery Time.
O intervalo de tempo levado pelo diodo para mudar do estado de polarização reversa para o estado de polarização direta é chamado de Forward Recovery Time.($t_{fr}$)
O intervalo de tempo levado pelo diodo para mudar do estado polarizado direto para o estado polarizado reverso é chamado de Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Para entender isso com mais clareza, vamos tentar analisar o que acontece quando a tensão é aplicada a um diodo comutador PN.

Concentração de portador

A concentração de portadores de carga minoritária reduz exponencialmente quando visto longe da junção. Quando a tensão é aplicada, devido à condição de polarização direta, a maioria das portadoras de um lado se move em direção ao outro. Eles se tornam portadores minoritários do outro lado. Essa concentração será mais na junção.

Por exemplo, se o tipo N for considerado, o excesso de buracos que entram no tipo N após a aplicação da polarização direta, adiciona aos portadores minoritários já presentes de material do tipo N.

Vamos considerar algumas notações.

A maioria dos portadores em tipo P (orifícios) = $P_{po}$
A maioria dos portadores do tipo N (elétrons) = $N_{no}$
Os portadores minoritários no tipo P (elétrons) = $N_{po}$
A maioria dos portadores em tipo N (orifícios) = $P_{no}$

During Forward biased Condition- As operadoras minoritárias estão mais próximas do entroncamento e menos distantes do entroncamento. O gráfico abaixo explica isso.

Excesso de carga de operadora minoritária em P-type = $P_n-P_{no}$ com $p_{no}$ (valor de estado estacionário)

Excesso de carga da operadora minoritária no tipo N = $N_p-N_{po}$ com $N_{po}$ (valor de estado estacionário)

During reverse bias condition- As operadoras majoritárias não conduzem a corrente através da junção e, portanto, não participam da condição da corrente. O diodo de comutação se comporta como um curto-circuito para uma instância na direção reversa.

As operadoras minoritárias vão cruzar a junção e conduzir a corrente, que é chamada de Reverse Saturation Current. O gráfico a seguir representa a condição durante a polarização reversa.

Na figura acima, a linha pontilhada representa os valores de equilíbrio e as linhas sólidas representam os valores reais. Como a corrente devido aos portadores de carga minoritários é grande o suficiente para conduzir, o circuito estará LIGADO até que esse excesso de carga seja removido.

O tempo necessário para o diodo mudar de polarização direta para polarização reversa é chamado Reverse recovery time ($t_{rr}$). Os gráficos a seguir explicam os tempos de comutação do diodo em detalhes.

Da figura acima, vamos considerar o gráfico da corrente do diodo.

Em $t_{1}$o diodo é repentinamente colocado no estado OFF do estado ON; é conhecido como tempo de armazenamento.Storage timeé o tempo necessário para remover o excesso de carga da operadora minoritária. A corrente negativa fluindo do material do tipo N para o P é de uma quantidade considerável durante o tempo de armazenamento. Esta corrente negativa é,

$$-I_R= \frac{-V_{R}}{R}$$

O próximo período é o transition time" (de $t_2$ para $t_3$)

O tempo de transição é o tempo que leva para o diodo chegar completamente à condição de circuito aberto. Depois de$t_3$o diodo estará em condição de polarização reversa de estado estacionário. Antes$t_1$ diodo está sob condição de polarização direta de estado estacionário.

Portanto, o tempo necessário para chegar completamente à condição de circuito aberto é

$$Reverse \:\:recovery\:\: time\left ( t_{rr} \right )= Storage \:\:time \left ( T_{s} \right )+Transition \:\: time \left ( T_{t} \right )$$

Considerando que para obter a condição LIGADA a partir de DESLIGADA, leva menos tempo chamado de Forward recovery time. O tempo de recuperação reversa é maior do que o tempo de recuperação avançada. Um diodo funciona como uma chave melhor se o tempo de recuperação reversa for reduzido.

Definições

Vamos apenas examinar as definições dos períodos de tempo discutidos.

Storage time - O período de tempo durante o qual o diodo permanece no estado de condução, mesmo no estado de polarização reversa, é chamado de Storage time.
Transition time - O tempo decorrido para retornar ao estado de não condução, ou seja, polarização reversa de estado estacionário, é chamado Transition time.
Reverse recovery time - O tempo necessário para o diodo mudar de polarização direta para polarização reversa é chamado de Reverse recovery time.
Forward recovery time - O tempo necessário para o diodo mudar de polarização reversa para polarização direta é chamado de Forward recovery time.

Fatores que afetam os tempos de comutação de diodo

Existem alguns fatores que afetam os tempos de comutação do diodo, como

Diode Capacitance - A capacitância da junção PN muda dependendo das condições de polarização.
Diode Resistance - A resistência oferecida pelo diodo para mudar seu estado.
Doping Concentration - O nível de dopagem do diodo, afeta os tempos de comutação do diodo.
Depletion Width- Quanto mais estreita for a largura da camada de depleção, mais rápida será a troca. Um diodo Zener tem região de depleção estreita do que um diodo de avalanche, o que torna o primeiro uma opção melhor.

Formulários

Existem muitas aplicações nas quais os circuitos de comutação de diodo são usados, como -

Circuitos retificadores de alta velocidade
Circuitos de comutação de alta velocidade
Receptores RF
Aplicativos de uso geral
Aplicações de consumo
Aplicações automotivas
Aplicativos de telecomunicações etc.

Este capítulo fornece um novo começo em relação a outra seção de circuitos de diodo. Isso dá uma introdução aos circuitos de fonte de alimentação que encontramos em nossa vida diária. Qualquer dispositivo eletrônico consiste em uma unidade de fonte de alimentação que fornece a quantidade necessária de alimentação CA ou CC para várias seções desse dispositivo eletrônico.

Necessidade de fontes de alimentação

Existem muitas pequenas seções presentes nos dispositivos eletrônicos, como computador, televisão, osciloscópio de raios catódicos, etc., mas todas essas seções não precisam de alimentação de 230 V CA que temos.

Em vez disso, uma ou mais seções podem precisar de 12 V DC, enquanto outras podem precisar de 30 V DC. Para fornecer as tensões CC necessárias, a fonte de entrada de 230 V CA deve ser convertida em CC puro para o uso. oPower supply units servem ao mesmo propósito.

Uma unidade de fonte de alimentação prática se parece com a figura a seguir.

Vamos agora examinar as diferentes partes que formam uma unidade de fonte de alimentação.

Partes de uma fonte de alimentação

Uma fonte de alimentação típica consiste no seguinte.

Transformer - Um transformador de entrada para redução da fonte de alimentação de 230 V CA.
Rectifier - Um circuito retificador para converter os componentes CA presentes no sinal em componentes CC.
Smoothing - Um circuito de filtragem para suavizar as variações presentes na saída retificada.
Regulator - Um circuito regulador de tensão para controlar a tensão a um nível de saída desejado.
Load - A carga que usa a saída CC pura da saída regulada.

Diagrama de blocos de uma unidade de fonte de alimentação

O diagrama de blocos de uma unidade de fonte de alimentação regulada é mostrado abaixo.

No diagrama acima, fica evidente que o transformador está presente no estágio inicial. Embora já tenhamos passado pelo conceito sobre transformadores no tutorial BASIC ELECTRONICS, vamos dar uma olhada nele.

Transformador

Um transformador tem um primary coil ao qual input é dado e um secondary coil de onde o outputé coletado. Ambas as bobinas são enroladas em um material de núcleo. Normalmente, um isolante forma oCore do transformador.

A figura a seguir mostra um transformador prático.

Na figura acima, é evidente que algumas notações são comuns. Eles são os seguintes -

$N_{p}$ = Número de voltas no enrolamento primário
$N_{s}$ = Número de voltas no enrolamento secundário
$I_{p}$ = Corrente fluindo no primário do transformador
$I_{s}$ = Corrente fluindo no secundário do transformador
$V_{p}$ = Tensão no primário do transformador
$V_{s}$ = Tensão através do secundário do transformador
$\phi$ = Fluxo magnético presente em torno do núcleo do transformador

Transformador em um circuito

A figura a seguir mostra como um transformador é representado em um circuito. O enrolamento primário, o enrolamento secundário e o núcleo do transformador também estão representados na figura a seguir.

Assim, quando um transformador é conectado a um circuito, a alimentação de entrada é fornecida à bobina primária de modo que produza fluxo magnético variável com esta fonte de alimentação e esse fluxo é induzido na bobina secundária do transformador, que produz o EMF variável o fluxo variável. Como o fluxo deve ser variável, para a transferência de EMF do primário para o secundário, um transformador sempre funciona em corrente alternada CA.

Dependendo do número de voltas no enrolamento secundário, um transformador pode ser classificado como um Step-up ou um Step-down transformador.

Transformador step-up

Quando o enrolamento secundário tem maior número de voltas do que o enrolamento primário, o transformador é considerado um Step-uptransformador. Aqui, o EMF induzido é maior do que o sinal de entrada.

A figura abaixo mostra o símbolo de um transformador elevador.

Transformador Abaixador

Quando o enrolamento secundário tem menor número de voltas do que o enrolamento primário, o transformador é considerado um Step-downtransformador. Aqui, o EMF induzido é menor do que o sinal de entrada.

A figura abaixo mostra o símbolo de um transformador abaixador.

Em nossos circuitos de alimentação, usamos o Step-down transformer, pois precisamos diminuir a alimentação CA para CC. A saída deste transformador Abaixador será menor em potência e isso será dado como a entrada para a próxima seção, chamadarectifier. Discutiremos sobre retificadores no próximo capítulo.

Sempre que surge a necessidade de converter uma alimentação CA em CC, um circuito retificador vem para o resgate. Um diodo de junção PN simples atua como um retificador. As condições de polarização direta e reversa do diodo fazem a retificação.

Retificação

Uma corrente alternada tem a propriedade de mudar seu estado continuamente. Isso é compreendido pela observação da onda senoidal pela qual uma corrente alternada é indicada. Ele sobe em sua direção positiva indo para um valor de pico positivo, reduz daí para o normal e novamente vai para a porção negativa e atinge o pico negativo e novamente volta ao normal e continua.

Durante seu percurso na formação da onda, podemos observar que a onda segue em direções positivas e negativas. Na verdade ela se altera completamente e daí o nome de corrente alternada.

Mas durante o processo de retificação, esta corrente alternada é transformada em corrente contínua DC. A onda que flui tanto na direção positiva quanto na negativa até então, terá sua direção restrita apenas à direção positiva, quando convertida para DC. Portanto, a corrente pode fluir apenas na direção positiva e resistir na direção negativa, como na figura abaixo.

O circuito que faz a retificação é chamado de Rectifier circuit. Um diodo é usado como retificador para construir um circuito retificador.

Tipos de circuitos retificadores

Existem dois tipos principais de circuitos retificadores, dependendo de sua saída. Eles são

Retificador de meia onda
Retificador de onda completa

Um circuito retificador de meia onda retifica apenas meio-ciclos positivos da alimentação de entrada, enquanto um circuito retificador de onda completa retifica meios ciclos positivos e negativos da alimentação de entrada.

Retificador de meia onda

O próprio nome retificador de meia onda afirma que o rectification é feito apenas para halfdo ciclo. O sinal AC é fornecido através de um transformador de entrada que aumenta ou diminui de acordo com o uso. Geralmente um transformador redutor é usado em circuitos retificadores, de modo a reduzir a tensão de entrada.

O sinal de entrada dado ao transformador é passado por um diodo de junção PN que atua como um retificador. Este diodo converte a tensão CA em CC pulsante apenas para os semiciclos positivos da entrada. Um resistor de carga é conectado no final do circuito. A figura abaixo mostra o circuito de um retificador de meia onda.

Trabalho de um HWR

TO sinal de entrada é dado ao transformador que reduz os níveis de tensão. A saída do transformador é dada ao diodo que atua como retificador. Este diodo fica LIGADO (conduz) para semiciclos positivos do sinal de entrada. Conseqüentemente, uma corrente flui no circuito e haverá uma queda de tensão no resistor de carga. O diodo fica DESLIGADO (não conduz) para meios ciclos negativos e, portanto, a saída para meios ciclos negativos será,$i_{D} = 0$ e $V_{o}=0$.

Portanto, a saída está presente apenas para semiciclos positivos da tensão de entrada (desprezando a corrente de fuga reversa). Esta saída será pulsante que é levada ao longo do resistor de carga.

Formas de onda de um HWR

As formas de onda de entrada e saída são mostradas na figura a seguir.

Portanto, a saída de um retificador de meia onda é uma CC pulsante. Vamos tentar analisar o circuito acima entendendo alguns valores que são obtidos da saída do retificador de meia onda.

Análise de retificador de meia onda

Para analisar um circuito retificador de meia onda, vamos considerar a equação da tensão de entrada.

$$v_{i}=V_{m} \sin \omega t$$

$V_{m}$ é o valor máximo da tensão de alimentação.

Suponhamos que o diodo seja ideal.

A resistência na direção direta, ou seja, no estado LIGADO é $R_f$.
A resistência na direção reversa, ou seja, no estado OFF é $R_r$.

O atual i no diodo ou no resistor de carga $R_L$ É dado por

$i=I_m \sin \omega t \quad for\quad 0\leq \omega t\leq 2 \pi$

$ i=0 \quad\quad\quad\quad for \quad \pi\leq \omega t\leq 2 \pi$

Onde

$$I_m= \frac{V_m}{R_f+R_L}$$

Corrente de saída DC

A corrente média $I_{dc}$ É dado por

$$I_{dc}=\frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2 \pi} i \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ \int_{0}^{\pi}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2 \pi}0\: d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{-\cos \omega t \right \}_{0}^{\pi} \right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{ +1-\left ( -1 \right ) \right \} \right ]=\frac{I_m}{\pi}=0.318 I_m$$

Substituindo o valor de $I_m$, Nós temos

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

E se $R_L >> R_f$, então

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi R_L}=0.318 \frac{V_m}{R_L}$$

Tensão de saída DC

A tensão de saída DC é dada por

$$ V_{dc}=I_{dc}\times R_L=\frac{I_m}{\pi}\times R_L$$

$$=\frac{V_m\times R_L}{\pi\left (R_f+R_L \right )}=\frac{V_m}{\pi\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

E se $R_L>>R_f$, então

$$V_{dc}=\frac{V_m}{\pi}=0.318 V_m$$

Corrente e tensão RMS

O valor da corrente RMS é dado por

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi} i^{2} d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi}I_{m}^{2} \sin^{2}\omega t \:d\left (\omega t \right ) +\frac{1}{2\pi}\int_{\pi}^{2\pi} 0 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{2 \pi}\int_{0}^{\pi}\left ( \frac{1-\cos 2 \omega t}{2} \right )d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \left ( \omega t \right )-\frac{\sin 2 \omega t}{2} \right \}_{0}^{\pi}\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \pi - 0 - \frac{\sin 2 \pi}{2}+ \sin 0 \right \} \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi} \right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{I_m}{2}$$

$$=\frac{V_m}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

A tensão RMS na carga é

$$V_{rms}=I_{rms} \times R_L= \frac{V_m \times R_L}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{V_m}{2\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

E se $R_L>>R_f$, então

$$V_{rms}=\frac{V_m}{2}$$

Eficiência do retificador

Qualquer circuito precisa ser eficiente em seu funcionamento para uma melhor saída. Para calcular a eficiência de um retificador de meia onda, a relação entre a potência de saída e a potência de entrada deve ser considerada.

A eficiência do retificador é definida como

$$\eta =\frac{d.c.power\:\: delivered \:\: to \:\: the \:\: load}{a.c.input \:\: power\:\:from\:\:transformer\:\:secondary}=\frac{P_{ac}}{P_{dc}}$$

Agora

$$P_{dc}=\left ( {I_{dc}} \right )^2 \times R_L=\frac{I_m R_L}{\pi^2}$$

Mais distante

$$P_{ac}=P_a+P_r$$

Onde

$P_a = power \:dissipated \:at \:the \:junction \:of \:diode$

$$=I_{rms}^{2}\times R_f=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f$$

$$P_r = power \:dissipated \:in \:the \:load \:resistance$$

$$=I_{rms}^{2}\times R_L=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L$$

$$P_{ac}=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f+\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L =\frac{I_{m}^{2}}{4}\left ( R_f+R_L \right )$$

De ambas as expressões de $P_{ac}$ e $P_{dc}$, nós podemos escrever

$$\eta =\frac{I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/4}=\frac{4}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{4}{\pi^2}\frac{1}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}=\frac{0.406}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Eficiência do retificador percentual

$$\eta =\frac{40.6}{\lbrace1+\lgroup\: R_{f}/R_{L}\rgroup\rbrace}$$

Teoricamente, o valor máximo da eficiência do retificador de um retificador de meia onda é de 40,6% quando $R_{f}/R_{L} = 0$

Além disso, a eficiência pode ser calculada da seguinte maneira

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (I_{dc} \right )^2R_L}{\left ( I_{rms} \right )^2R_L}=\frac{\left ( V_{dc}/R_L \right )^2R_L}{\left (V_{rms}/R_L \right )^2R_L} =\frac{\left ( V_{dc} \right )^2}{\left ( V_{rms} \right )^2}$$

$$=\frac{\left ( V_m/ \pi \right )^2}{\left ( V_m/2 \right )^2}=\frac{4}{\pi^2}=0.406$$

$$=40.6\%$$

Fator Ondulação

A saída retificada contém alguma quantidade de componente AC presente nela, na forma de ondulações. Isso é compreendido pela observação da forma de onda de saída do retificador de meia onda. Para obter um DC puro, precisamos ter uma ideia sobre este componente.

O fator de ondulação fornece a ondulação da saída retificada. É denotado pory. Isso pode ser definido como a relação entre o valor efetivo do componente CA da tensão ou corrente e o valor direto ou valor médio.

$$\gamma =\frac{ripple \: voltage}{d.c \:voltage} =\frac{rms\:value\:of\: a.c.component}{d.c.value\:of\:wave}=\frac{\left ( V_r \right )_{rms}}{v_{dc}}$$

Aqui,

$$\left ( V_r \right )_{rms}=\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}$$

Portanto,

$$\gamma =\frac{\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}}{V_{dc}}=\sqrt{\left (\frac{V_{rms}}{V_{dc}} \right )^2-1}$$

Agora,

$$V_{rms}=\left [ \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} V_{m}^{2} \sin^2\omega t\:d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=V_m\left [ \frac{1}{4\pi} \int_{0}^{\pi}\left ( 1- \cos2 \:\omega t \right )d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{V_m}{2}$$

$$V_{dc}=V_{av}=\frac{1}{2\pi}\left [ \int_{0}^{\pi}V_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2\pi} 0.d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{V_m}{2 \pi}\left [ -\cos \omega t \right ]_{0}^{\pi}=\frac{V_m}{\pi}$$

$$\gamma =\sqrt{\left [ \left \{ \frac{\left ( V_m/2 \right )}{\left ( V_m/\pi \right )} \right \}^2-1 \right ]}=\sqrt{\left \{ \left ( \frac{\pi}{2} \right )^2-1 \right \}}=1.21$$

O fator de ondulação também é definido como

$$\gamma =\frac{\left ( I_r \right )_{rms}}{I_{dc}}$$

Como o valor do fator de ondulação presente em um retificador de meia onda é 1,21, significa que a quantidade de CA presente na saída é $121\%$ da tensão DC

Regulamento

A corrente através da carga pode variar dependendo da resistência da carga. Mas, mesmo nessas condições, esperamos que nossa tensão de saída, que passa pelo resistor de carga, seja constante. Portanto, nossa tensão precisa ser regulada mesmo sob diferentes condições de carga.

A variação da tensão de saída DC com mudança na corrente de carga DC é definida como o Regulation. A porcentagem de regulação é calculada como segue.

$$Percentage\:regulation=\frac{V_{no \:load}-V_{full\:load}}{V_{full\:load}} \times 100\%$$

Quanto menor o percentual de regulação, melhor será a fonte de alimentação. Uma fonte de alimentação ideal terá uma regulação de porcentagem zero.

Fator de utilização do transformador

A energia DC a ser fornecida à carga, em um circuito retificador, decide a classificação do transformador usado em um circuito.

Portanto, o fator de utilização do transformador é definido como

$$TUF=\frac{d.c.power\:to\:be\:delivered\:to\:the\:load}{a.c.rating\:of\:the\:transformer\:secondary}$$

$$=\frac{P_{d.c}}{P_{a.c\left ( rated \right )}}$$

De acordo com a teoria do transformador, a tensão nominal do secundário será

$$V_m/\sqrt{2}$$

A tensão RMS real que flui através dele será

$$I_m/2$$

Portanto

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )\times\left ( I_m/2 \right )}$$

Mas

$$V_m=I_m\left ( R_f+R_L \right )$$

Portanto

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left \{ I_m\left ( R_f+R_L \right )/\sqrt{2} \right \}\times \left ( I_m/2 \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2}\times \frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2} = 0.287$$

Pico de tensão inversa

Um diodo, quando conectado em polarização reversa, deve ser operado sob um nível controlado de tensão. Se essa tensão segura for excedida, o diodo será danificado. Portanto, é muito importante saber sobre essa tensão máxima.

A tensão inversa máxima que o diodo pode suportar sem ser destruído é chamada de Peak Inverse Voltage. Em resumo,PIV.

Aqui, o PIV nada mais é do que Vm

Fator de forma

Isso pode ser entendido como a média matemática dos valores absolutos de todos os pontos da forma de onda. oform factoré definido como a relação entre o valor RMS e o valor médio. É denotado porF.

$$F=\frac{rms\:value}{average\:value}=\frac{I_m/2}{I_m/\pi}=\frac{0.5I_m}{0.318I_m}=1.57$$

Fator de Pico

O valor do pico na ondulação deve ser considerado para saber a eficácia da retificação. O valor do fator de pico também é uma consideração importante.Peak factor é definido como a relação entre o valor de pico e o valor RMS.

Portanto

$$Peak Factor=\frac{Peak\:value}{r.m.s\:value}=\frac{V_m}{V_m/2}=2$$

Todos esses são parâmetros importantes a serem considerados ao estudar um retificador.

Um circuito retificador que retifica os semiciclos positivos e negativos pode ser denominado como um retificador de onda completa, pois retifica o ciclo completo. A construção de um retificador de onda completa pode ser feita em dois tipos. Eles são

Retificador de onda completa com derivação central
Retificador de onda completa em ponte

Ambos têm suas vantagens e desvantagens. Vamos agora examinar sua construção e trabalhar junto com suas formas de onda para saber qual é a melhor e por quê.

Retificador de onda completa com derivação central

Um circuito retificador cujo secundário do transformador é derivado para obter a tensão de saída desejada, usando dois diodos alternativamente, para retificar o ciclo completo é chamado de Center-tapped Full wave rectifier circuit. O transformador é derivado ao centro aqui, ao contrário dos outros gabinetes.

As características de um transformador de rosqueamento central são -

O rosqueamento é feito puxando um fio no ponto médio do enrolamento secundário. Este enrolamento é dividido em duas metades iguais ao fazer isso.
A tensão no ponto médio derivado é zero. Isso forma um ponto neutro.
A derivação central fornece duas tensões de saída separadas que são iguais em magnitude, mas em polaridade oposta uma da outra.
Uma série de fitas podem ser retiradas para obter diferentes níveis de tensões.

O transformador com derivação central com dois diodos retificadores é usado na construção de um Center-tapped full wave rectifier. O diagrama do circuito de um retificador de onda completa com derivação central é mostrado abaixo.

Trabalho de um CT- FWR

O funcionamento de um retificador de onda completa com derivação central pode ser compreendido pela figura acima. Quando o meio ciclo positivo da tensão de entrada é aplicado, o ponto M no secundário do transformador torna-se positivo em relação ao ponto N. Isso faz com que o diodo$D_1$polarizado. Portanto, atual$i_1$ flui através do resistor de carga de A para B. Agora temos os semiciclos positivos na saída

Quando o meio ciclo negativo da tensão de entrada é aplicado, o ponto M no secundário do transformador torna-se negativo em relação ao ponto N. Isso faz com que o diodo $D_2$polarizado. Portanto, atual$i_2$ flui através do resistor de carga de A para B. Agora temos os semiciclos positivos na saída, mesmo durante os semiciclos negativos da entrada.

Formas de onda de CT FWR

As formas de onda de entrada e saída do retificador de onda completa com derivação central são as seguintes.

A partir da figura acima, é evidente que a saída é obtida para os semiciclos positivos e negativos. Também é observado que a saída através do resistor de carga está nosame direction para ambos os meios ciclos.

Pico de tensão inversa

Como a tensão máxima em meio enrolamento secundário é $V_m$, toda a tensão secundária aparece através do diodo não condutor. Daí opeak inverse voltage é duas vezes a tensão máxima em todo o enrolamento de meio secundário, ou seja,

$$PIV=2V_m$$

Desvantagens

Existem algumas desvantagens para um retificador de onda completa com derivação central, como -

A localização do rosqueamento central é difícil
A tensão de saída CC é pequena
PIV dos diodos deve ser alto

O próximo tipo de circuito retificador de onda completa é o Bridge Full wave rectifier circuit.

Retificador de onda completa em ponte

Este é um circuito retificador de onda completa que utiliza quatro diodos conectados em forma de ponte para não apenas produzir a saída durante o ciclo completo de entrada, mas também para eliminar as desvantagens do circuito retificador de onda completa com derivação central.

Não há necessidade de nenhuma derivação central do transformador neste circuito. Quatro diodos chamados$D_1$, $D_2$, $D_3$ e $D_4$são usados na construção de uma rede do tipo ponte de modo que dois dos diodos conduzam por meio ciclo e dois conduzam pelo outro meio ciclo da alimentação de entrada. O circuito de um retificador de onda completa em ponte é mostrado na figura a seguir.

Trabalho de um retificador de onda completa em ponte

O retificador de onda completa com quatro diodos conectados no circuito de ponte é empregado para obter uma melhor resposta de saída de onda completa. Quando o meio ciclo positivo da alimentação de entrada é dado, o ponto P torna-se positivo em relação ao pontoQ. Isso faz com que o diodo$D_1$ e $D_3$ enviesado para a frente enquanto $D_2$ e $D_4$enviesado reverso. Esses dois diodos agora estarão em série com o resistor de carga.

A figura a seguir indica isso junto com o fluxo de corrente convencional no circuito.

Daí os diodos $D_1$ e $D_3$conduzir durante o meio ciclo positivo da alimentação de entrada para produzir a saída ao longo do resistor de carga. Como dois diodos trabalham para produzir a saída, a tensão será o dobro da tensão de saída do retificador de onda completa com derivação central.

Quando o meio ciclo negativo da alimentação de entrada é dado, o ponto P torna-se negativo em relação ao ponto Q. Isso faz com que o diodo$D_1$ e $D_3$ enviesado reverso enquanto $D_2$ e $D_4$polarizado. Esses dois diodos agora estarão em série com o resistor de carga.

A figura a seguir indica isso junto com o fluxo de corrente convencional no circuito.

Daí os diodos $D_{2}$ e $D_{4}$conduzir durante o meio ciclo negativo da alimentação de entrada para produzir a saída ao longo do resistor de carga. Aqui também dois diodos trabalham para produzir a tensão de saída. A corrente flui na mesma direção que durante o meio ciclo positivo da entrada.

Formas de onda da ponte FWR

As formas de onda de entrada e saída do retificador de onda completa com derivação central são as seguintes.

Pico de tensão inversa

Sempre que dois dos diodos estão em paralelo com o secundário do transformador, a tensão secundária máxima através do transformador aparece nos diodos não condutores, o que faz o PIV do circuito retificador. Daí opeak inverse voltage é a tensão máxima em todo o enrolamento secundário, ou seja,

$$PIV=V_m$$

Vantagens

Existem muitas vantagens para um retificador de onda completa em ponte, como -

Não há necessidade de rosqueamento central.
A tensão de saída CC é duas vezes maior do que o FWR do derivador central.
O PIV dos diodos tem a metade do valor do derivador central FWR.
O design do circuito é mais fácil com melhor saída.

Vamos agora analisar as características de um retificador de onda completa.

Análise de retificador de onda completa

Para analisar um circuito retificador de onda completa, vamos assumir a tensão de entrada $V_{i}$ Como,

$$V_{i}=V_m \sin \omega t$$

O atual $i_1$ através do resistor de carga $R_L$ É dado por

$$i_1=I_m \sin \omega t \quad for \quad0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_1=\quad0 \quad\quad\quad for \quad \pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

Onde

$$I_m=\frac{V_m}{R_f+R_L}$$

$R_f$ sendo a resistência do diodo na condição ON.

Da mesma forma, o atual $i_2$ fluindo através do diodo $D_2$ e o resistor de carga RL é dado por,

$$i_2=\quad\:0 \quad\quad\quad for \quad 0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_2=I_m \sin \omega t \quad for \quad\pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

A corrente total fluindo através $R_L$ é a soma das duas correntes $i_1$ e $i_2$ ie

$$i=i_1+i_2$$

DC ou corrente média

O valor médio da corrente de saída que um amperímetro CC indicará é dado por

$$I_{dc}=\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} i_1 \:d\left ( \omega t \right )+\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}i_2 \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2\pi\int_{0}^{\pi}}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+0+0+$$

$$\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi}I_m \sin \omega t\:d\left ( \omega t \right ) $$

$$=\frac{I_m}{\pi}+ \frac{I_m}{\pi} =\frac{2I_m}{\pi}=0.636I_m$$

Este é o dobro do valor de um retificador de meia onda.

Tensão de saída DC

A tensão de saída DC através da carga é dada por

$$V_{dc}=I_{dc}\times R_L = \frac{2I_mR_L}{\pi}=0.636I_mR_L$$

Assim, a tensão de saída CC é o dobro da de um retificador de meia onda.

Corrente RMS

O valor RMS da corrente é dado por

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi} t^2 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

Uma vez que a corrente é da mesma forma nas duas metades

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{\pi} \int_{0}^{\pi }\sin^2 \omega t\:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\frac{I_m}{\sqrt{2}}$$

Eficiência do retificador

A eficiência do retificador é definida como

$$\eta=\frac{P_{dc}}{P_{ac}}$$

Agora,

$$P_{dc}=\left (V_{dc} \right )^2/R_L=\left ( 2V_m/\pi \right )^2$$

$$P_{ac}=\left (V_{rms} \right )^2/R_L=\left (V_m/\sqrt{2} \right )^2$$

Portanto,

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (2V_m/\pi \right )^2}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )^2}=\frac{8}{\pi^2}$$

$$=0.812=81.2\%$$

A eficiência do retificador pode ser calculada da seguinte forma -

A potência de saída DC,

$$P_{dc}=I_{dc}^{2}R_L=\frac{4I_{m}^{2}}{\pi^2}\times R_L$$

A potência de entrada CA,

$$P_{ac}=I_{rms}^{2}\left (R_f+R_L \right )=\frac{I_{m}^{2}}{2}\left ( R_f+R_L \right )$$

Portanto,

$$\eta=\frac{4I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/2}=\frac{8}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{0.812}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Portanto, a porcentagem de eficiência é

$$=\frac{0.812}{ 1+\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=81.2\% \quad if\: R_f=0$$

Assim, um retificador de onda completa tem eficiência duas vezes maior que o retificador de meia onda.

Fator Ondulação

O fator de forma da tensão de saída retificada de um retificador de onda completa é dado por

$$F=\frac{I_{rms}}{I_{dc}}=\frac{I_m/\sqrt{2}}{2I_m/\pi}=1.11$$

O fator de ondulação $\gamma$ é definido como (usando a teoria do circuito AC)

$$\gamma =\left [ \left ( \frac{I_{rms}}{I_{dc}} \right )-1 \right ]^{\frac{1}{2}}=\left ( F^2 -1\right )^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \left ( 1.11 \right )^2 -1\right ]^\frac{1}{2}=0.48$$

Esta é uma grande melhoria em relação ao fator de ondulação do retificador de meia onda, que foi de 1,21

Regulamento

A tensão de saída CC é dada por

$$V_{dc}=\frac{2I_mR_L}{\pi}=\frac{2V_mR_L}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2V_m}{\pi}\left [ 1-\frac{R_f}{R_f+R_L} \right ]=\frac{2V_m}{\pi}-I_{dc}R_f$$

Fator de utilização do transformador

O TUF de um retificador de meia onda é 0,287

Existem dois enrolamentos secundários em um retificador com derivação central e, portanto, o TUF do retificador de onda completa com derivação central é

$$\left ( TUF \right )_{avg}=\frac{P_{dc}}{V-A\:rating\:of\:a\:transformer}$$

$$=\frac{\left ( TUF \right )_p+\left ( TUF \right )_s+\left ( TUF \right )_s}{3}$$

$$=\frac{0.812+0.287+0.287}{3}=0.693$$

Retificador de meia onda vs. onda completa

Depois de passar por todos os valores dos diferentes parâmetros do retificador de onda completa, vamos apenas tentar comparar e contrastar as características dos retificadores de meia onda e de onda completa.

Termos	Retificador de meia onda	Centro Tapped FWR	Bridge FWR
Número de Diodos	$1$	$2$	$4$
Tapping do transformador	$No$	$Yes$	$No$
Pico de tensão inversa	$V_m$	$2V_m$	$V_m$
Eficiência Máxima	$40.6\%$	$81.2\%$	$81.2\%$
Corrente média / cc	$I_m/\pi$	$2I_m/\pi$	$2I_m/\pi$
Voltagem de corrente contínua	$V_m/\pi$	$2V_m/\pi$	$2V_m/\pi$
Corrente RMS	$I_m/2$	$I_m/\sqrt{2}$	$I_m/\sqrt{2}$
Fator Ondulação	$1.21$	$0.48$	$0.48$
Frequência de saída	$f_{in}$	$2f_{in}$	$2f_{in}$

O diagrama de blocos da fonte de alimentação explica claramente que um circuito de filtro é necessário após o circuito retificador. Um retificador ajuda a converter uma corrente alternada pulsante em corrente contínua, que flui apenas em uma direção. Até agora, vimos diferentes tipos de circuitos retificadores.

As saídas de todos esses circuitos retificadores contêm algum fator de ondulação. Também observamos que o fator de ondulação de um retificador de meia onda é maior do que o de um retificador de onda completa.

Por que precisamos de filtros?

A ondulação no sinal denota a presença de algum componente AC. Este componente CA deve ser completamente removido para se obter uma saída CC pura. Então, precisamos de um circuito quesmoothens a saída retificada em um sinal CC puro.

UMA filter circuit é aquele que remove o componente CA presente na saída retificada e permite que o componente CC alcance a carga.

A figura a seguir mostra a funcionalidade de um circuito de filtro.

Um circuito de filtro é construído usando dois componentes principais, indutor e capacitor. Já estudamos no tutorial de Eletrônica Básica que

Um indutor permite dc e blocos ac.
Um capacitor permite ac e blocos dc.

Vamos tentar construir alguns filtros, usando esses dois componentes.

Filtro Indutor Série

Como um indutor permite CC e bloqueia CA, um filtro chamado Series Inductor Filterpode ser construída conectando o indutor em série, entre o retificador e a carga. A figura abaixo mostra o circuito de um filtro indutor em série.

A saída retificada ao passar por este filtro, o indutor bloqueia os componentes ac que estão presentes no sinal, a fim de fornecer um DC puro. Este é um filtro primário simples.

Filtro de capacitor shunt

Como um capacitor permite ac através dele e bloqueia DC, um filtro chamado Shunt Capacitor Filter pode ser construída usando um capacitor, conectado em shunt, conforme mostrado na figura a seguir.

A saída retificada quando passada por este filtro, os componentes CA presentes no sinal são aterrados através do capacitor que permite os componentes CA. Os demais componentes dc presentes no sinal são coletados na saída.

Os tipos de filtro acima discutidos são construídos usando um indutor ou um capacitor. Agora, vamos tentar usar os dois para fazer um filtro melhor. Esses são filtros combinacionais.

Filtro LC

Um circuito de filtro pode ser construído usando indutor e capacitor para obter uma melhor saída onde as eficiências do indutor e do capacitor podem ser usadas. A figura abaixo mostra o diagrama de circuito de um filtro LC.

A saída retificada quando fornecida a este circuito, o indutor permite que os componentes CC passem por ele, bloqueando os componentes CA do sinal. Agora, a partir desse sinal, mais alguns componentes CA, se houver, são aterrados, de modo que tenhamos uma saída CC pura.

Este filtro também é chamado de Choke Input Filterquando o sinal de entrada entra primeiro no indutor. A saída deste filtro é melhor do que os anteriores.

Π- Filtro (filtro Pi)

Este é outro tipo de circuito de filtro muito usado. Ele tem um capacitor em sua entrada e, portanto, também é chamado deCapacitor Input Filter. Aqui, dois capacitores e um indutor são conectados na forma de rede em forma de π. Um capacitor em paralelo, então um indutor em série, seguido por outro capacitor em paralelo formam este circuito.

Se necessário, várias seções idênticas também podem ser adicionadas a esta, de acordo com a necessidade. A figura abaixo mostra um circuito para$\pi$ filtro (Pi-filter).

Trabalho de um filtro Pi

Neste circuito, temos um capacitor em paralelo, depois um indutor em série, seguido de outro capacitor em paralelo.

Capacitor C₁- Este capacitor de filtro oferece alta reatância para CC e baixa reatância para sinal CA. Depois de aterrar os componentes CA presentes no sinal, o sinal passa para o indutor para filtração adicional.
Inductor L- Este indutor oferece baixa reatância aos componentes CC, enquanto bloqueia os componentes CA, caso algum tenha conseguido passar, através do capacitor C ₁ .
Capacitor C₂ - Agora o sinal é ainda mais suavizado usando este capacitor para permitir qualquer componente CA presente no sinal, que o indutor falhou em bloquear.

Assim, obtemos a saída CC pura desejada na carga.

A próxima e última etapa antes da carga, em um sistema de alimentação, é a parte Regulador. Vamos agora tentar entender o que é um regulador e o que ele faz.

A parte da eletrônica que lida com o controle e conversão de energia elétrica pode ser denominada como Power Electronics. Um regulador é um dispositivo importante quando se trata de eletrônica de potência, pois controla a saída de potência.

Necessidade de um regulador

Para que uma fonte de alimentação produza uma tensão de saída constante, independentemente das variações da tensão de entrada ou das variações da corrente de carga, é necessário um regulador de tensão.

UMA voltage regulatoré um dispositivo que mantém a tensão de saída constante, ao invés de qualquer tipo de flutuação na tensão de entrada sendo aplicada ou quaisquer variações na corrente, puxada pela carga. A imagem a seguir dá uma ideia da aparência de um regulador prático.

Tipos de reguladores

Os reguladores podem ser classificados em diferentes categorias, dependendo de seu funcionamento e tipo de conexão.

Depending upon the type of regulation, os reguladores são divididos principalmente em dois tipos, a saber, reguladores de linha e de carga.

Line Regulator - O regulador que regula a tensão de saída para ser constante, apesar das variações da linha de entrada, é chamado de Line regulator.
Load Regulator - O regulador que regula a tensão de saída para que seja constante, apesar das variações de carga na saída, é denominado como Load regulator.

Depending upon the type of connection, existem dois tipos de reguladores de tensão. Eles são

Regulador de tensão série
Regulador de tensão shunt

A disposição deles em um circuito será exatamente como nas figuras a seguir.

Vejamos outros tipos de reguladores importantes.

Regulador de tensão Zener

Um regulador de tensão Zener é aquele que usa diodo Zener para regular a tensão de saída. Já discutimos os detalhes sobre o diodo Zener no tutorial BASIC ELECTRONICS.

Quando o diodo Zener é operado na avaria ou Zener region, a voltagem através dele é substancialmente constant para large change of currentatravés dele. Esta característica torna o diodo Zener umgood voltage regulator.

A figura a seguir mostra a imagem de um regulador Zener simples.

A tensão de entrada aplicada $V_i$ quando aumentado além da tensão Zener $V_z$, então o diodo Zener opera na região de ruptura e mantém a tensão constante na carga. O resistor limitador em série$R_s$ limita a corrente de entrada.

Funcionamento do regulador de tensão Zener

O diodo Zener mantém a tensão constante apesar das variações de carga e das flutuações de tensão de entrada. Portanto, podemos considerar 4 casos para entender o funcionamento de um regulador de tensão Zener.

Case 1 - Se a carga atual $I_L$ aumenta, então a corrente através do diodo Zener $I_Z$ diminui para manter a corrente através do resistor em série $R_S$constante. A tensão de saída Vo depende da tensão de entrada Vi e da tensão através do resistor em série$R_S$.

Isso pode ser escrito como

$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$

Onde $I$é constante. Portanto,$V_o$ também permanece constante.

Case 2 - Se a carga atual $I_L$ diminui, então a corrente através do diodo Zener $I_Z$ aumenta, conforme a corrente $I_S$através do resistor da série RS permanece constante. Embora o atual$I_Z$ através do diodo Zener aumenta, ele mantém uma tensão de saída constante $V_Z$, que mantém a tensão de carga constante.

Case 3 - Se a tensão de entrada $V_i$ aumenta, então o atual $I_S$através do resistor em série RS aumenta. Isso aumenta a queda de tensão no resistor, ou seja,$V_S$aumenta. Embora a corrente através do diodo Zener$I_Z$ aumenta com isso, a tensão através do diodo Zener $V_Z$ permanece constante, mantendo a tensão de carga de saída constante.

Case 4 - Se a tensão de entrada diminui, a corrente através do resistor em série diminui, o que torna a corrente através do diodo Zener $I_Z$diminui. Mas o diodo Zener mantém a tensão de saída constante devido à sua propriedade.

Limitações do regulador de tensão Zener

Existem algumas limitações para um regulador de tensão Zener. Eles são -

É menos eficiente para correntes de carga pesada.
A impedância Zener afeta ligeiramente a tensão de saída.

Portanto, um regulador de tensão Zener é considerado eficaz para aplicações de baixa tensão. Agora, vamos examinar os outros tipos de reguladores de tensão, que são feitos com transistores.

Regulador de tensão série transistor

Este regulador possui um transistor em série ao regulador Zener e ambos em paralelo à carga. O transistor funciona como um resistor variável que regula a tensão do emissor do coletor para manter a tensão de saída constante. A figura abaixo mostra o regulador de tensão em série do transistor.

Com as condições de operação de entrada, a corrente através da base do transistor muda. Isso afeta a voltagem através da junção do emissor de base do transistor$V_{BE}$. A tensão de saída é mantida pela tensão Zener$V_Z$que é constante. Como ambos são mantidos iguais, qualquer mudança na alimentação de entrada é indicada pela mudança na tensão de base do emissor$V_{BE}$.

Portanto, a tensão de saída Vo pode ser entendida como

$$V_O=V_Z+V_{BE}$$

Funcionamento do regulador de tensão da série do transistor

O funcionamento de um regulador de tensão em série deve ser considerado para variações de entrada e carga. Se a tensão de entrada aumenta, a tensão de saída também aumenta. Mas isso, por sua vez, faz com que a tensão na junção da base do coletor$V_{BE}$ diminuir, à medida que a tensão Zener $V_Z$permanece constante. A condução diminui à medida que a resistência na região do coletor do emissor aumenta. Isso aumenta ainda mais a tensão através da junção coletor-emissor VCE, reduzindo assim a tensão de saída$V_O$. Isso será semelhante quando a tensão de entrada diminuir.

Quando as mudanças de carga ocorrem, o que significa que se a resistência da carga diminui, aumentando a corrente de carga $I_L$, a tensão de saída $V_O$ diminui, aumentando a tensão de base do emissor $V_{BE}$.

Com o aumento da tensão de base do emissor $V_{BE}$a condução aumenta reduzindo a resistência do coletor do emissor. Isso, por sua vez, aumenta a corrente de entrada que compensa a diminuição da resistência da carga. Isso será semelhante quando a corrente de carga aumentar.

Limitações do regulador de tensão da série do transistor

Os reguladores de tensão da série transistor têm as seguintes limitações -

As tensões $V_{BE}$ e $V_Z$ são afetados pelo aumento da temperatura.
Nenhuma boa regulação para altas correntes é possível.
A dissipação de energia é alta.
A dissipação de energia é alta.
Menos eficiente.

Para minimizar essas limitações, o regulador shunt transistorizado é usado.

Regulador de tensão de derivação do transistor

Um circuito regulador shunt transistorizado é formado conectando-se um resistor em série com a entrada e um transistor cuja base e coletor são conectados por um diodo Zener que regula, ambos em paralelo com a carga. A figura abaixo mostra o diagrama de circuito de um regulador shunt transistorizado.

Funcionamento do regulador de tensão de derivação do transistor

Se a tensão de entrada aumentar, o $V_{BE}$ e $V_O$também aumenta. Mas isso acontece inicialmente. Na verdade, quando$V_{in}$ aumenta, a corrente $I_{in}$também aumenta. Esta corrente quando flui através do RS, causa uma queda de tensão$V_S$ através do resistor em série, que também aumenta com $V_{in}$. Mas isso faz$V_o$diminuir. Agora, esta diminuição em$V_o$compensa o aumento inicial mantendo-o constante. Conseqüentemente$V_o$é mantido constante. Se a tensão de saída diminuir, o inverso acontece.

Se a resistência da carga diminuir, deve haver diminuição na tensão de saída $V_o$. A corrente através da carga aumenta. Isso faz com que a corrente de base e a corrente de coletor do transistor diminuam. A tensão no resistor em série torna-se baixa, pois a corrente flui fortemente. A corrente de entrada será constante.

A tensão de saída aparece será a diferença entre a tensão aplicada $V_i$ e a queda de tensão em série $V_s$. Conseqüentemente, a tensão de saída será aumentada para compensar a diminuição inicial e, portanto, mantida constante. O inverso acontece se a resistência da carga aumentar.

Reguladores IC

Reguladores de tensão estão agora disponíveis na forma de circuitos integrados (ICs). Em resumo, são chamados de Reguladores IC.

Junto com a funcionalidade de um regulador normal, um regulador IC tem propriedades como compensação térmica, proteção contra curto-circuito e proteção contra sobretensão que são incorporadas ao dispositivo.

Tipos de reguladores IC

Os reguladores IC podem ser dos seguintes tipos -

Reguladores de tensão positiva fixa
Reguladores de tensão negativa fixa
Reguladores de tensão ajustáveis
Reguladores de tensão de rastreamento duplo

Vamos agora discuti-los em detalhes.

Regulador de tensão positiva fixa

A saída desses reguladores é fixada em um valor específico e os valores são positivos, o que significa que a tensão de saída fornecida é positiva.

A série mais usada é a série 7800 e os ICs serão como IC 7806, IC 7812 e IC 7815 etc. que fornecem + 6v, + 12v e + 15v, respectivamente, como tensões de saída. A figura abaixo mostra o IC 7810 conectado para fornecer uma tensão de saída regulada positiva fixa de 10 V.

Na figura acima, o capacitor de entrada $C_1$ é usado para evitar oscilações indesejadas e o capacitor de saída $C_2$ atua como um filtro de linha para melhorar a resposta transitória.

Regulador de tensão negativa fixa

A saída desses reguladores é fixada em um valor específico e os valores são negativos, o que significa que a tensão de saída fornecida é negativa.

A série mais usada é a série 7900 e os ICs serão como IC 7906, IC 7912 e IC 7915 etc. que fornecem -6v, -12v e -15v respectivamente como tensões de saída. A figura abaixo mostra o IC 7910 conectado para fornecer uma tensão de saída regulada negativa fixa de 10 V.

Na figura acima, o capacitor de entrada $C_1$ é usado para evitar oscilações indesejadas e o capacitor de saída $C_2$ atua como um filtro de linha para melhorar a resposta transitória.

Reguladores de tensão ajustável

Um regulador de tensão ajustável possui três terminais IN, OUT e ADJ. Os terminais de entrada e saída são comuns, enquanto o terminal ajustável é fornecido com um resistor variável que permite que a saída varie em uma ampla faixa.

A figura acima mostra uma fonte de alimentação não regulada acionando um regulador IC ajustável LM 317 que é comumente usado. O LM 317 é um regulador de tensão ajustável positivo de três terminais e pode fornecer 1,5 A de corrente de carga em uma faixa de saída ajustável de 1,25 V a 37 V.

Reguladores de tensão de rastreamento duplo

Um regulador de rastreamento duplo é usado quando as tensões de alimentação divididas são necessárias. Eles fornecem tensões de saída positivas e negativas iguais. Por exemplo, o RC4195 IC fornece saídas DC de + 15v e -15v. Isso precisa de duas tensões de entrada não reguladas, como a entrada positiva pode variar de + 18 V a +30 V e a entrada negativa pode variar de -18 V a -30 V.

A imagem acima mostra um regulador de IC RC4195 de rastreamento duplo. Os reguladores ajustáveis dual-tacking também estão disponíveis, cujas saídas variam entre dois limites nominais.

Os tópicos discutidos até agora representam diferentes seções da unidade de fonte de alimentação. Todas essas seções juntas fazem oLinear Power Supply. Este é o método convencional de obtenção de CC da alimentação CA de entrada.

Fonte de alimentação linear

A fonte de alimentação linear (LPS) é a fonte de alimentação regulada que dissipa muito calor no resistor em série para regular a tensão de saída que tem baixa ondulação e baixo ruído. Este LPS tem muitos aplicativos.

Uma fonte de alimentação linear requer dispositivos semicondutores maiores para regular a tensão de saída e gera mais calor, resultando em menor eficiência energética. As fontes de alimentação lineares têm tempos de resposta transitórios até 100 vezes mais rápidos que as outras, o que é muito importante em certas áreas especializadas.

Vantagens do LPS

A fonte de alimentação é contínua.
O circuito é simples.
Esses são sistemas confiáveis.
Este sistema responde dinamicamente às mudanças de carga.
As resistências do circuito são alteradas para regular a tensão de saída.
Como os componentes operam em região linear, o ruído é baixo.
A ondulação é muito baixa na tensão de saída.

Desvantagens do LPS

Os transformadores usados são mais pesados e grandes.
A dissipação de calor é mais.
A eficiência da fonte de alimentação linear é de 40 a 50%
A energia é desperdiçada na forma de calor em circuitos LPS.
Tensão de saída única é obtida.

Já examinamos diferentes partes de uma fonte de alimentação linear. O diagrama de blocos de uma fonte de alimentação linear é mostrado na figura a seguir.

Apesar das desvantagens acima, as fontes de alimentação lineares são amplamente utilizadas em amplificadores de baixo ruído, equipamentos de teste e circuitos de controle. Além disso, eles também são usados na aquisição de dados e processamento de sinais.

Todos os sistemas de fornecimento de energia que precisam de regulagem simples e onde a eficiência não é uma preocupação, são usados os circuitos LPS. Como o ruído elétrico é menor, o LPS é usado para alimentar circuitos analógicos sensíveis. Mas para superar as desvantagens do sistema de fonte de alimentação linear, a fonte de alimentação comutada (SMPS) é usada.

Fonte de alimentação comutada (SMPS)

As desvantagens do LPS, como menor eficiência, a necessidade de um grande valor de capacitores para reduzir ondulações e transformadores pesados e caros, etc., são superadas pela implementação de Switched Mode Power Supplies.

O funcionamento do SMPS é simplesmente compreendido sabendo-se que o transistor usado no LPS é usado para controlar a queda de tensão enquanto o transistor no SMPS é usado como um controlled switch.

Trabalhando

O funcionamento do SMPS pode ser entendido pela figura a seguir.

Vamos tentar entender o que acontece em cada estágio do circuito SMPS.

Estágio de entrada

O sinal de alimentação de entrada CA de 50 Hz é fornecido diretamente para o retificador e a combinação do circuito do filtro, sem usar nenhum transformador. Esta saída terá muitas variações e o valor da capacitância do capacitor deve ser maior para lidar com as flutuações de entrada. Este CC não regulado é fornecido à seção de chaveamento central do SMPS.

Seção de comutação

Um dispositivo de chaveamento rápido como um transistor de potência ou um MOSFET é empregado nesta seção, que liga e desliga de acordo com as variações e esta saída é dada ao primário do transformador presente nesta seção. Os transformadores usados aqui são muito menores e mais leves, ao contrário dos usados para alimentação de 60 Hz. Eles são muito eficientes e, portanto, a taxa de conversão de energia é maior.

Estágio de Saída

O sinal de saída da seção de chaveamento é novamente retificado e filtrado, para obter a tensão CC necessária. Esta é uma tensão de saída regulada que é então fornecida ao circuito de controle, que é um circuito de feedback. A saída final é obtida após considerar o sinal de feedback.

Unidade de controle

Esta unidade é o circuito de feedback que possui muitas seções. Vamos ter um entendimento claro sobre isso na figura a seguir.

A figura acima explica as partes internas de uma unidade de controle. O sensor de saída detecta o sinal e o conecta à unidade de controle. O sinal é isolado da outra seção, de modo que quaisquer picos repentinos não afetem o circuito. Uma tensão de referência é fornecida como uma entrada junto com o sinal para o amplificador de erro, que é um comparador que compara o sinal com o nível de sinal necessário.

Ao controlar a frequência de corte, o nível de tensão final é mantido. Isso é controlado comparando as entradas fornecidas para o amplificador de erro, cuja saída ajuda a decidir se deve aumentar ou diminuir a frequência de corte. O oscilador PWM produz uma frequência fixa de onda PWM padrão.

Podemos ter uma ideia melhor sobre o funcionamento completo do SMPS dando uma olhada na figura a seguir.

O SMPS é usado principalmente onde a comutação de voltagens não é um problema e onde a eficiência do sistema é realmente importante. Existem alguns pontos a serem observados em relação ao SMPS. Eles são

O circuito SMPS é operado por comutação e, portanto, as tensões variam continuamente.
O dispositivo de comutação é operado no modo de saturação ou corte.
A tensão de saída é controlada pelo tempo de comutação dos circuitos de feedback.
O tempo de comutação é ajustado ajustando o ciclo de serviço.
A eficiência do SMPS é alta porque, em vez de dissipar o excesso de energia como calor, ele alterna continuamente sua entrada para controlar a saída.

Desvantagens

Existem algumas desvantagens no SMPS, como

O ruído está presente devido à comutação de alta frequência.
O circuito é complexo.
Ele produz interferência eletromagnética.

Vantagens

As vantagens do SMPS incluem,

A eficiência é tão alta quanto 80 a 90%
Menor geração de calor; menos desperdício de energia.
Feedback harmônico reduzido na rede de alimentação.
O dispositivo é compacto e de tamanho pequeno.
O custo de fabricação é reduzido.
Provisão para fornecer o número necessário de tensões.

Formulários

Existem muitas aplicações de SMPS. Eles são usados na placa-mãe de computadores, carregadores de telefones celulares, medições HVDC, carregadores de bateria, distribuição de energia central, veículos motorizados, eletrônicos de consumo, laptops, sistemas de segurança, estações espaciais, etc.

Tipos de SMPS

SMPS é o circuito de fonte de alimentação de modo comutado que é projetado para obter a tensão de saída CC regulada de uma tensão CC ou CA não regulada. Existem quatro tipos principais de SMPS, como

Conversor DC para DC
Conversor AC para DC
Conversor Fly back
Conversor de avanço

A parte de conversão CA para CC na seção de entrada faz a diferença entre o conversor CA para CC e o conversor CC para CC. O conversor Fly back é usado para aplicações de baixa potência. Também existem Conversores Buck e Conversores Boost nos tipos SMPS que diminuem ou aumentam a tensão de saída dependendo dos requisitos. O outro tipo de SMPS inclui conversor fly-back auto-oscilante, conversor Buck-boost, Cuk, sépico, etc.

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O Filtro RLC

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Resposta de frequência

O Filtro RLC

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Resposta de frequência

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Resposta de frequência

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Resposta de frequência

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Filtro passa-altas como diferenciador

Resposta de frequência

Forma de onda de saída

Circuitos Clipper

Positive Series Clipper

Formas de onda

Clipper série positiva com positivo $V_{r}$

Clipper série positiva com negativo $V_{r}$

Shunt Clipper positivo

Formas de onda

Shunt Clipper positivo com positivo $V_{r}$

Shunt Clipper positivo com negativo $V_{r}$

Negative Series Clipper

Formas de onda

Clipper de série negativa com positivo $V_{r}$

Negative Series Clipper com negativo $V_{r}$

Shunt Clipper negativo

Formas de onda

Shunt Clipper negativo com positivo $V_{r}$

Shunt Clipper negativo com negativo $V_{r}$

Clipper de duas vias

Circuito Clamper

Tipos de Pinças

Circuito Clamper Positivo

Clamper positivo com V r positivo

Grampo positivo com negativo $V_{r}$

Grampo Negativo

Clamper negativo com V r positivo

Grampo negativo com V r negativo

Formulários

Clippers

Pinças

Limiters

Tipos de Limitadores

Clamper positivo com V _r positivo

Clamper negativo com V _r positivo

Grampo negativo com V _r negativo