Retificador de Onda Completa – Guia Completo com Funcionamento, Fórmula, Circuito e Aplicações

A energia elétrica é inicialmente fornecida na forma de corrente alternada (CA), cuja direção varia para frente e para trás. Mas a maioria dos dispositivos eletrônicos requer corrente contínua (CC), que flui em apenas uma direção. O processo de conversão de corrente alternada em corrente contínua é chamado de retificação, e o circuito usado para concluir esse processo é chamado de retificador.

Um retificador de onda completa é um circuito retificador comum e muito importante, frequentemente utilizado em fontes de alimentação, carregadores e diversos dispositivos eletrônicos. Ao contrário do retificador de meia onda, que utiliza apenas meio ciclo de corrente alternada, o circuito retificador de onda completa utiliza os semiciclos positivo e negativo. Portanto, é mais eficiente, e a corrente contínua de saída tem uma ondulação menor e mais estável.

Neste guia, apresentaremos o retificador de onda completa em detalhes, incluindo sua definição, diagrama do retificador de onda completa, princípio de funcionamento, forma de onda de saída, fórmulas relacionadas, principais vantagens e suas diferenças em relação ao retificador de meia onda.

O que é um retificador de onda completa?

Um retificador de onda completa é um circuito retificador eletrônico capaz de converter os semiciclos positivos e negativos da corrente alternada (CA) em corrente contínua pulsante (CC). Seu componente principal é o diodo retificador, que permite que a corrente flua em apenas uma direção, realizando assim a conversão de corrente alternada para corrente contínua.

Comparado ao retificador de meia onda, que utiliza apenas meio ciclo de corrente alternada, o retificador de onda completa pode obter uma tensão média de corrente contínua mais alta e tem uma saída mais estável, pois apresenta menos ondulações. Existem basicamente duas maneiras de implementá-lo: uma é usar um transformador com derivação central em combinação com dois diodos retificadores; outro tipo é uma estrutura que utiliza quatro diodos para formar uma ponte retificadora.

O processo de utilização simultânea dos ciclos positivos e negativos da corrente alternada e sua conversão em corrente contínua é chamado de retificação de onda completa.

Como se deriva a retificação de onda completa

Se você deseja entender o retificador de onda completa, pode começar com o retificador de meia onda e construir seu conhecimento passo a passo.

Em um retificador de meia onda, apenas metade da forma de onda CA é utilizada (o semiciclo positivo ou o semiciclo negativo), enquanto a outra metade é bloqueada. Como resultado, a saída é uma corrente contínua pulsante e metade da energia de entrada é desperdiçada.

O retificador de onda completa é diferente. Ele utiliza tanto os semiciclos positivos quanto os negativos, aproveitando também o "semiciclo desperdiçado", sendo, portanto, mais eficiente.

O retificador de onda completa pode ser compreendido passo a passo da seguinte maneira:

.  Primeiramente, vamos analisar o circuito retificador de meia onda, que permite apenas a passagem do semiciclo positivo pela carga.

.  Imagine outro circuito exatamente igual, mas com a forma de onda de entrada deslocada em 180 graus (inversão de fase). Dessa forma, o semiciclo negativo original é efetivamente transformado em "positivo" e também pode passar pela carga.

.  Se combinarmos as saídas desses dois circuitos, tanto o semiciclo positivo quanto o negativo contribuirão para a saída.

Dessa forma, a corrente de saída flui na mesma direção, formando uma corrente contínua pulsante. Esse é o princípio fundamental do retificador de onda completa.

No entanto, em circuitos reais, não é prático usar duas fontes de corrente alternada separadas e mantê-las precisamente sincronizadas. Isso é muito complicado e inviável.

Na prática, um retificador de onda completa geralmente é implementado de duas maneiras mais simples:

.  Utilizando um transformador com derivação central

.  Utilizando uma configuração de retificador em ponte

Com esses dois métodos, basta uma única fonte de corrente alternada para obter o mesmo efeito. O retificador de onda completa é, portanto, amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos reais.

Configurações de circuito retificador de onda completa

Existem principalmente dois métodos de implementação para o circuito retificador de onda completa:

Retificador de onda completa com derivação central

Este circuito consiste em um transformador com derivação central, dois diodos retificadores e um resistor de carga. Durante a operação, no semiciclo positivo da corrente alternada (CA), o diodo D1 conduz e o D2 está polarizado reversamente, e a corrente flui unidirecionalmente através da carga. Durante o semiciclo negativo, o D2 conduz e o D1 está polarizado reversamente, mas a corrente na carga ainda flui na mesma direção. Dessa forma, cada semiciclo tem um diodo em funcionamento, resultando em uma corrente contínua pulsante (CC) na saída.

Suas vantagens são a estrutura simples e a necessidade de apenas dois diodos. Comparado ao retificador de meia onda, ele apresenta uma tensão CC mais alta e uma saída mais estável. No entanto, requer um transformador especial com derivação central, o que aumenta o custo e o volume. Além disso, cada diodo precisa suportar uma tensão inversa de pico (PIV) duas vezes maior que a tensão de entrada. Este circuito é uma forma primitiva do circuito retificador de onda completa.

Retificador de onda completa em ponte

A ponte retificadora, ou ponte retificadora completa, é composta por quatro diodos retificadores em configuração de ponte e não requer um transformador com derivação central. No semiciclo positivo, os diodos D1 e D2 conduzem, enquanto D3 e D4 estão polarizados reversamente, e a corrente flui unidirecionalmente através da carga. Durante o semiciclo negativo, D3 e D4 conduzem, enquanto D1 e D2 estão polarizados reversamente, e a corrente permanece na mesma direção.

Essa estrutura não requer um transformador com derivação central, possui uma taxa de utilização do transformador mais alta e é menor e mais compacta do que o projeto com derivação central. No entanto, a desvantagem é que cada semiciclo possui dois diodos conduzindo simultaneamente, resultando em uma queda de tensão de aproximadamente 1.4 V (para diodos de silício). Sob condições de alta corrente, é propensa à geração de calor e requer a adição de um dissipador de calor. O retificador de onda completa em ponte é atualmente o circuito retificador mais utilizado e comum.

Forma de onda de saída de um retificador de onda completa

A saída de um circuito retificador de onda completa é, na verdade, uma forma de onda CC pulsante. Sem um filtro, a saída seria uma série de pulsos positivos. Cada meio ciclo da CA seria retificado uma vez, de modo que a frequência de saída se tornaria o dobro da frequência de entrada. Por exemplo, se a entrada for 50 Hz, a saída seria 100 Hz.

Adicionar um filtro, como conectar um capacitor à carga, pode tornar a forma de onda mais suave, reduzir a ondulação e obter uma saída mais próxima de uma tensão CC estável. Justamente por isso, a saída da retificação de onda completa é muito mais suave do que a da retificação de meia onda, sendo muito adequada para uso em aplicações de alimentação elétrica.

Fórmulas de retificadores de onda completa

Aqui estão as fórmulas importantes para um retificador de onda completa:

• Tensão de saída CC:

• Corrente RMS:

• Fator de forma:

• Fator de Pico:

• Fator de ondulação:

(Muito menor que o retificador de meia onda, que tem 1.21).

• Eficiência:

• Tensão Inversa de Pico (PIV):

Para retificador com derivação central: PIV = 2Vm

Para retificador de ponte: PIV = Vm

Essas fórmulas ajudam a projetar e analisar um circuito retificador de onda completa para aplicações do mundo real.

Vantagens de um retificador de onda completa

Comparado com o retificador de meia onda, o retificador de onda completa tem melhor desempenho em muitos aspectos e, portanto, é mais amplamente utilizado em circuitos práticos:

• Maior eficiência: O retificador de meia onda utiliza corrente alternada (CA) apenas durante um semiciclo, com uma eficiência de aproximadamente 40%. Os retificadores de onda completa podem utilizar simultaneamente os semiciclos positivo e negativo, atingindo uma eficiência de aproximadamente 81% e uma taxa de utilização de energia elétrica mais elevada.

• Saída mais suave: Como a frequência de saída da retificação de onda completa é o dobro da frequência da corrente alternada de entrada, a flutuação de tensão é mais rápida, a ondulação é naturalmente menor e a corrente contínua (CC) resultante é mais estável.

• Tensão de saída média mais alta: A tensão de saída CC de um retificador de onda completa é aproximadamente 0.637 vezes a tensão CA de pico, enquanto a de um retificador de meia onda é de apenas 0.318 Vm. Uma tensão mais alta significa que uma força motriz mais forte pode ser fornecida à carga.

• Melhor fator de utilização do transformador (TUF): Os retificadores de onda completa podem aproveitar melhor a potência do enrolamento secundário do transformador, reduzir o desperdício de recursos e maximizar o valor do volume e do custo do transformador.

• Requer capacitor de filtro menor: Como a amplitude da ondulação é menor e a tensão de saída já é relativamente estável, em comparação com a retificação de meia onda, basta um capacitor de filtro menor para suavizar ainda mais a forma de onda. Isso não só economiza espaço e custos de material, como também ajuda a miniaturizar os circuitos.

• Maior confiabilidade: O fluxo de corrente na carga permanece sempre na mesma direção, reduzindo as perdas potenciais do dispositivo causadas por frequentes inversões de corrente, aumentando assim a estabilidade e a vida útil do circuito.

• Amplas aplicações: O retificador de onda completa é quase uma configuração padrão em circuitos de energia e é amplamente utilizado em situações em que CA é convertida em CC, como fontes de alimentação chaveadas, carregadores de bateria, adaptadores para laptops e celulares, sistemas UPS e vários produtos eletrônicos de consumo.

Desvantagens do retificador de onda completa

Embora o retificador de onda completa tenha muitas vantagens, ao utilizá-lo no projeto de circuitos, algumas de suas limitações também precisam ser consideradas.

1. Projeto de circuitos mais complexos

Em comparação com o retificador de meia onda, o retificador de onda completa requer mais componentes. A estrutura com derivação central exige um transformador dedicado, enquanto a estrutura em ponte necessita de quatro diodos, tornando a estrutura geral mais complexa.

2. Maior número de componentes

Um retificador de onda completa geralmente requer 2 ou 4 diodos, o que aumenta o custo do projeto e os potenciais pontos de falha.

3. Queda de tensão em um retificador de ponte

Em um retificador de onda completa em ponte, dois diodos conduzem simultaneamente, causando uma queda de tensão de cerca de 1.4V e reduzindo a tensão de saída.

4. Requisitos do transformador (tipo com derivação central) 

O retificador de onda completa com derivação central requer um transformador especial, aumentando o custo e o tamanho, e sua aplicação é limitada.

5. Geração de calor

A condução de múltiplos diodos causa perda de potência na forma de calor. Um retificador de onda completa requer um projeto de dissipação de calor para altas correntes.

6. Considerações de projeto para PIV

Os diodos no retificador de onda completa devem atender aos requisitos de PIV; caso contrário, ficam sujeitos a danos.

Retificador de meia onda vs. onda completa

O retificador de meia onda é um dos circuitos retificadores mais simples. Seu princípio de funcionamento é permitir a passagem de um meio ciclo da forma de onda da corrente alternada (CA), bloqueando o outro meio ciclo. Apenas um diodo de junção PN, juntamente com um resistor de carga e, às vezes, um transformador para isolamento ou regulação de tensão, pode converter corrente alternada senoidal em tensão CC pulsante.

A corrente de saída desse tipo de circuito é unidirecional, mas não é suave; em vez disso, é uma série de pulsos. Portanto, geralmente é necessário um filtro para obter uma corrente contínua mais estável. Comparado ao retificador de onda completa, sua eficiência é muito menor, pois metade da forma de onda da corrente alternada é desperdiçada. Mas, precisamente por causa de sua estrutura muito simples, ele pode ser frequentemente visto em livros didáticos, experimentos de laboratório e alguns circuitos de prototipagem rápida. Pode-se dizer que os retificadores de meia onda são o primeiro passo para a compreensão do princípio da retificação e para um melhor aprendizado dos tipos de retificadores, especialmente os retificadores de onda completa.

Retificador de meia onda vs. onda completa em uma mesa

Esta tabela destaca por que o retificador de onda completa é a escolha preferida na maioria dos circuitos retificadores.

Termos principais explicados

Compreender alguns termos básicos comuns pode nos ajudar a entender completamente como funciona um retificador de onda completa.

1. Ciclo

Um ciclo refere-se a uma forma de onda completa de um sinal de corrente alternada (CA). Em um retificador de onda completa, cada ciclo consiste em um semiciclo positivo e um semiciclo negativo.

2. Semiciclo Positivo

O semiciclo positivo é a porção da forma de onda CA que se encontra acima do eixo horizontal. Em um retificador de onda completa, essa parte contribui diretamente para a corrente de saída.

3. Semiciclo negativo

O semiciclo negativo é a porção da forma de onda CA abaixo do eixo horizontal. Em um retificador de onda completa, essa porção é convertida em uma saída positiva usando diodos, permitindo que o retificador de onda completa utilize toda a forma de onda.

4. CC pulsante

A saída de um retificador de onda completa não é corrente contínua pura, mas sim corrente contínua pulsante. Isso significa que a tensão flui em uma única direção, mas varia em magnitude. Um filtro é frequentemente usado com um retificador de onda completa para suavizar essa saída.

5. Retificação

A retificação é o processo de conversão de corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC). Um retificador de onda completa realiza a retificação de onda completa convertendo ambas as metades do sinal CA em uma saída CC utilizável.

6. Ripple

O termo "ripple" refere-se às pequenas flutuações presentes na saída de um retificador de onda completa. Embora um retificador de onda completa produza menos ripple do que um retificador de meia onda, a filtragem ainda é necessária para aplicações sensíveis.

7. Duplicação de Frequência

Uma característica fundamental de um retificador de onda completa é que a frequência de saída é o dobro da frequência de entrada. Isso torna o retificador de onda completa mais eficiente e mais fácil de filtrar.

Conclusão

O retificador de onda completa é uma parte fundamental e importante dos circuitos eletrônicos. Ele pode utilizar os semiciclos positivos e negativos da corrente alternada (CA), portanto, comparado ao retificador de meia onda, é mais eficiente, e a corrente contínua (CC) de saída é mais estável, com menos ondulação.

É essencial que estudantes, engenheiros e entusiastas de eletrônica aprendam e dominem o diagrama, as fórmulas e o princípio de funcionamento do retificador de onda completa. Ao projetar fontes de alimentação, carregadores de bateria ou outros sistemas CC, a retificação de onda completa pode garantir a operação estável e confiável do circuito.