Instrumento do Tipo Retificador | Princípio de Construção e Funcionamento
Instrumento do tipo retificador mede a tensão e corrente alternadas com a ajuda de elementos retificadores e instrumentos do tipo bobina móvel de ímã permanente. No entanto, a função principal dos instrumentos do tipo retificador é atuar como voltímetro. Agora, uma pergunta deve surgir em nossa mente: por que usamos amplamente os instrumentos do tipo retificador no mundo industrial, embora tenhamos vários outros voltímetros AC, como instrumentos do tipo eletrodinamômetro, instrumentos do tipo termopar, etc? A resposta para esta pergunta é muito simples e está escrita a seguir.
O custo dos instrumentos do tipo eletrodinamômetro é bastante alto em comparação com os instrumentos do tipo retificador. No entanto, os instrumentos do tipo retificador são tão precisos quanto os instrumentos do tipo eletrodinamômetro. Portanto, os instrumentos do tipo retificador são preferidos sobre os instrumentos do tipo eletrodinamômetro.
Os instrumentos do tipo termopar são mais delicados do que os instrumentos do tipo retificador. No entanto, os instrumentos do tipo termopar são mais amplamente utilizados em frequências muito altas.
Antes de analisarmos o princípio de construção e funcionamento dos instrumentos do tipo retificador, é necessário discutir em detalhes as características de tensão e corrente do elemento retificador ideal e prático chamado diodo.
Vamos primeiro discutir as características ideais do elemento retificador. O que é um elemento retificador ideal? Um elemento retificador é aquele que oferece resistência zero se estiver polarizado na direção direta e oferece resistência infinita se estiver polarizado na direção inversa.
Esta propriedade é usada para retificar as tensões (retificação significa converter uma quantidade alternada em uma quantidade contínua, ou seja, CA para CC). Considere o diagrama de circuito abaixo.
No diagrama de circuito dado, o diodo ideal está conectado em série com a fonte de tensão e a resistência de carga. Agora, quando fazemos o diodo polarizado na direção direta, ele conduz perfeitamente, oferecendo um caminho de resistência elétrica zero. Assim, comporta-se como um curto-circuito. Podemos fazer o diodo polarizado na direção direta conectando o terminal positivo da bateria com o ânodo e o terminal negativo com o cátodo. A característica de polarização direta do elemento retificador ou diodo é mostrada nas características de tensão e corrente.
Agora, quando aplicamos tensão negativa, ou seja, conectando o terminal negativo da bateria com o terminal do ânodo do diodo e o terminal positivo da bateria ao terminal do cátodo do diodo. Devido à polarização reversa, ele oferece resistência elétrica infinita e, portanto, comporta-se como circuito aberto. As características completas de tensão e corrente são mostradas abaixo.
Vamos considerar novamente o mesmo circuito, mas a diferença aqui é que estamos usando o elemento retificador prático em vez do ideal. O elemento retificador prático tem alguma tensão de bloqueio direta finita e alta tensão de bloqueio reversa. Vamos aplicar o mesmo procedimento para obter as características de tensão e corrente do elemento retificador prático. Agora, quando fazemos o elemento retificador prático polarizado na direção direta, ele não conduz até que a tensão aplicada não seja maior que a tensão de ruptura direta ou podemos dizer tensão de joelho. Quando a tensão aplicada se torna maior que a tensão de joelho, o diodo ou elemento retificador entrará no modo de condução. Assim, comporta-se como curto-circuito, mas devido a alguma resistência elétrica, há queda de tensão através deste diodo prático. Podemos fazer o elemento retificador polarizado na direção direta conectando o terminal positivo da bateria com o ânodo e o terminal negativo com o cátodo. A característica de polarização direta do elemento retificador prático ou diodo é mostrada nas características de tensão e corrente. Agora, quando aplicamos tensão negativa, ou seja, conectando o terminal negativo da bateria com o terminal do ânodo do diodo e o terminal positivo da bateria ao terminal do cátodo do elemento retificador. Devido à polarização reversa, ele oferece resistência finita e a tensão negativa até que a tensão aplicada se torne igual à tensão de ruptura reversa e, portanto, comporta-se como circuito aberto. As características completas são mostradas abaixo
Agora, os instrumentos do tipo retificador usam dois tipos de circuitos retificadores:
Circuitos de Retificador de Meia Onda de Instrumentos do Tipo Retificador
Vamos considerar o circuito de retificador de meia onda abaixo, no qual o elemento retificador está conectado em série com uma fonte de tensão senoidal, instrumento do tipo bobina móvel de ímã permanente e o resistor multiplicador.
A função desta resistência elétrica multiplicadora é limitar a corrente retirada pelo instrumento do tipo bobina móvel de ímã permanente. É essencial limitar a corrente retirada pelo instrumento do tipo bobina móvel de ímã permanente, pois, se a corrente exceder a classificação de corrente do PMMC, o instrumento será destruído. Agora, dividimos nossa operação em duas partes. Na primeira parte, aplicamos tensão DC constante ao circuito acima. No diagrama do circuito, estamos assumindo o elemento retificador como ideal.
Vamos marcar a resistência do multiplicador como R, e a do instrumento do tipo bobina móvel de ímã permanente como R1. A tensão DC produz uma deflexão de escala total de magnitude I=V/(R+R1), onde V é o valor eficaz da tensão. Agora, vamos considerar o segundo caso, neste caso, aplicaremos tensão AC senoidal ao circuito v =Vm × sin(wt) e obteremos a forma de onda de saída conforme mostrado. No ciclo positivo, o elemento retificador conduzirá e no ciclo negativo, ele não conduzirá. Portanto, teremos um pulso de tensão no instrumento de bobina móvel, que produzirá corrente pulsante, assim, a corrente pulsante produzirá torque pulsante.
A deflexão produzida corresponderá ao valor médio da tensão. Então, vamos calcular o valor médio da corrente, para calcular o valor médio da tensão, temos que integrar a expressão instantânea da tensão de 0 a 2 pi. Então, o valor médio calculado da tensão é 0,45V. Novamente, temos V como o valor eficaz da corrente. Assim, concluímos que a sensibilidade da entrada AC é 0,45 vezes a sensibilidade da entrada DC no caso do retificador de meia onda.
Circuitos de Retificador de Onda Completa de Instrumentos do Tipo Retificador
Vamos considerar um circuito de retificador de onda completa abaixo.
Usamos aqui um circuito de retificador de ponte como mostrado. Novamente, dividimos nossa operação em duas partes. Na primeira, analisamos a saída aplicando a tensão DC e, em outra, aplicaremos tensão AC ao circuito. Uma resistência multiplicadora em série está conectada em série com a fonte de tensão, que tem a mesma função descrita acima. Vamos considerar o primeiro caso, aqui estamos aplicando uma fonte de tensão DC ao circuito. Agora, o valor da corrente de deflexão de escala total neste caso é novamente V/(R+R1), onde V é o valor eficaz da tensão aplicada, R é a resistência do multiplicador de resistência e R1 que é a resistência elétrica do instrumento. R e R1 estão marcados no diagrama do circuito. Agora, vamos considerar o segundo caso, neste caso, aplicaremos tensão AC senoidal ao circuito, que é dada por v = Vmsin(wt), onde Vm é o valor de pico da tensão aplicada. Se calcularmos o valor da corrente de deflexão de escala total neste caso aplicando o mesmo procedimento, obteremos uma expressão de corrente de escala total como .9V/(R+R1). Lembre-se, para obter o valor médio da tensão, devemos integrar a expressão instantânea da tensão de zero a pi. Assim, comparando com a saída DC, concluímos que a sensibilidade com a fonte de tensão AC é 0,9 vezes a sensibilidade da fonte de tensão DC.
A onda de saída é mostrada abaixo. Agora, vamos discutir os fatores que afetam o desempenho dos instrumentos do tipo retificador:
Os instrumentos do tipo retificador são calibrados em termos de valores eficazes de ondas senoidais de tensão e corrente. O problema é que a forma de onda de entrada pode ou não ter o mesmo fator de forma no qual a escala desses medidores é calibrada.
Pode haver algum erro devido ao circuito retificador, pois não incluímos a resistência dos circuitos de ponte retificadora em ambos os casos. As características não lineares da ponte podem distorcer as formas de onda de corrente e tensão.
Pode haver variação na temperatura devido à qual a resistência elétrica da ponte muda, portanto, para compensar esse tipo de erros, devemos aplicar um resistor multiplicador com alto coeficiente de temperatura.
Efeito da capacitância do retificador de ponte: o retificador de ponte tem capacitância imperfeita, portanto, devido a isso, ele passa as correntes de alta frequência. Portanto, há uma diminuição na leitura.
A sensibilidade dos instrumentos do tipo retificador é baixa no caso de tensão de entrada AC.
Vantagens dos Instrumentos do Tipo Retificador
A seguir, estão as vantagens dos instrumentos do tipo retificador:
A precisão do instrumento do tipo retificador é de cerca de 5 por cento em condições de operação normais.
A faixa de frequência de operação pode ser estendida a valores altos.
Eles têm escala uniforme no medidor.
Eles têm valores de operação de corrente e tensão baixos.
O efeito de carga de um voltmímetro retificador AC em ambos os casos (ou seja, retificador de diodo de meia onda e retificador de diodo de onda completa) é alto em comparação com os efeitos de carga dos voltmímetros DC, pois a sensibilidade do voltmímetro, seja usando retificação de meia onda ou onda completa, é menor que a sensibilidade dos voltmímetros DC.
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