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Diodos, retificadores, filtro com capacitor e regulador Zener

Leitura de 8 min · Equipe bitGateLab

Quase todos os aparelhos eletrônicos funcionam com corrente contínua, mas a rede elétrica fornece corrente alternada. A passagem de uma para a outra começa com um componente muito simples: o diodo. Neste tema você verá como modelar um diodo para fazer cálculos rápidos, como se monta um retificador de meia onda e um de onda completa em ponte, como um capacitor suaviza o resultado e quanta ondulação sobra, e como um diodo Zener mantém uma tensão fixa. No final você conseguirá calcular passo a passo uma fonte de alimentação básica.

O diodo e seus modelos

Um diodo tem dois terminais, anodo e catodo, e deixa passar corrente principalmente em um sentido. Com o anodo mais positivo que o catodo ele está em polarização direta e conduz; na situação inversa está em polarização reversa e só circula uma corrente de fuga desprezível. Para calcular circuitos usam-se dois modelos simples:

• Modelo ideal: em polarização direta é uma chave fechada (0 V de queda) e em reversa, uma chave aberta. Serve para entender o funcionamento.
• Modelo de queda constante: em polarização direta ele tem uma queda fixa V_D, de cerca de 0.7 V em diodos de silício, e em reversa é um circuito aberto. Dá resultados próximos dos reais quando as tensões do circuito são de alguns volts.

A curva real é exponencial: a queda cresce um pouco com a corrente, mas para a maioria dos cálculos de fontes o modelo de 0.7 V é suficiente.

Retificador de meia onda

Um único diodo em série entre o transformador e a carga deixa passar os semiciclos positivos e bloqueia os negativos. A saída é uma série de pulsos separados por intervalos em zero, com a mesma frequência da rede.

• Pico de saída: V_p,out = V_p − 0.7 V.
• Valor médio sem filtro: V_p,out/π.
• Tensão reversa máxima que o diodo suporta (PIV): V_p sem filtro, e até cerca de 2·V_p se houver um capacitor de filtro, porque o capacitor fica carregado enquanto o secundário chega ao seu pico negativo.

Retificador de onda completa em ponte

A ponte usa quatro diodos. No semiciclo positivo conduzem dois deles e no negativo os outros dois, mas os dois semiciclos fazem a corrente circular pela carga no mesmo sentido. O resultado é que os semiciclos negativos são "rebatidos" para cima.

• A cada instante conduzem dois diodos em série, então perdem-se 2 · 0.7 = 1.4 V: V_p,out = V_p − 1.4 V.
• A frequência da saída é o dobro da frequência da rede: com 60 Hz na entrada, a saída pulsa a 120 Hz.
• Valor médio sem filtro: 2·V_p,out/π, o dobro do de meia onda.
• Cada diodo suporta em polarização reversa aproximadamente V_p.

Filtro com capacitor e tensão de ondulação

Um capacitor em paralelo com a carga se carrega até o pico a cada pulso e, enquanto a tensão retificada cai, fornece corrente à carga e se descarrega um pouco. A saída fica quase constante, com uma pequena oscilação chamada ondulação (ou ripple). Se a ondulação for pequena em comparação com o pico, ela é estimada assim:

Vr(pp) ≈ Icarga / (fr · C)

em que f_r é a frequência dos pulsos: 60 Hz em meia onda e 120 Hz em ponte (com rede de 60 Hz). A tensão CC de saída fica em torno de V_p,out − V_r/2.

O diodo Zener como regulador

Um diodo Zener é projetado para trabalhar em polarização reversa: ao atingir sua tensão de ruptura V_Z, ele conduz o necessário para manter essa tensão quase constante. Com um resistor em série R_S e a carga em paralelo com o Zener obtém-se um regulador simples. O resistor absorve a diferença de tensão, e a corrente que passa por ele se divide entre o Zener e a carga:

RS = (Vin − VZ) / (IL + IZ)

O Zener precisa de uma corrente mínima I_Z para regular bem. Quando a carga consome menos, o Zener fica com a corrente que sobra, então ele deve suportar a potência do pior caso: sem carga.

Erros comuns

• Esquecer que na ponte a corrente atravessa dois diodos, com uma queda total de 1.4 V.
• Usar a frequência da rede em vez de 120 Hz ao calcular a ondulação de uma ponte.
• Confundir o valor RMS do transformador com seu valor de pico: um secundário de 12 V dá quase 17 V de pico.
• Escolher o capacitor de filtro com tensão nominal apenas igual ao pico; deixe margem.
• Calcular a potência do Zener só com a carga ligada. O pior caso é sem carga.

Experimente no simulador

Monte a fonte completa por estágios e observe cada forma de onda no osciloscópio virtual.

1. Coloque uma fonte senoidal de 16.97 V de amplitude e 60 Hz que represente o secundário do transformador.
2. Ligue um diodo e um resistor de carga de 150 Ω, e observe a saída de meia onda.
3. Substitua o diodo por uma ponte de quatro diodos e compare a forma de onda e sua frequência.
4. Acrescente um capacitor de 2200 µF em paralelo com a carga e meça a ondulação pico a pico.
5. Troque o capacitor ou a carga e verifique que a ondulação segue a fórmula I/(f_r·C).
6. Acrescente um resistor em série e um Zener de 5.1 V com sua carga, e observe como a ondulação praticamente desaparece.

Exercícios

1. Um secundário de 9 V RMS alimenta um retificador de meia onda com diodo de silício. Qual é o pico de saída?

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   V_p = 9 · √2 = 12.73 V. Pico de saída = 12.73 − 0.7 = 12.03 V.

2. Com o mesmo secundário e uma ponte, qual é o pico de saída e a frequência dos pulsos com rede de 60 Hz?

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   12.73 − 1.4 = 11.33 V, com frequência de 120 Hz.

3. Uma ponte alimenta 50 mA com um capacitor de 1000 µF a partir de uma rede de 60 Hz. Estime a ondulação.

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   V_r = 0.05/(120 · 0.001) = 0.42 V pico a pico.

4. Projete R_S para um regulador Zener de 9.1 V a partir de 15 V, com carga de 30 mA e 10 mA mínimos no Zener.

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   R_S = (15 − 9.1)/(0.030 + 0.010) = 5.9/0.04 = 147.5 Ω. Com o valor comercial de 150 Ω passam 5.9/150 = 39.3 mA e sobram 9.3 mA para o Zener, o suficiente se o mínimo real dele for menor. Se você precisar garantir os 10 mA, use o valor inferior mais próximo, 130 Ω: passam 45.4 mA e sobram 15.4 mA para o Zener.