Filtragem e Ripple (ART1204)

A boa filtragem é essencial em muitos projetos eletrônicos, principalmente os que envolvem sinais de áudio. Nada mais desagradável do que o ronco no alto-falante que aparece na ausência de som, ou quando abrimos o volume sem ter um programa em execução. O ronco de AC nem sempre vem dos cabos ou de problemas de blindagem. Ele também pode ser produzido por uma filtragem deficiente de uma fonte. Veja neste artigo o que é filtragem, para conhecer melhor o problema.

Filtragem

Na saída de um sistema retificador obtemos corrente contínua pulsante, ou seja, formada pelos semiciclos da corrente alternada que são conduzidos pelos diodos. Esta corrente contínua não é pura, não servindo para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos.

A corrente contínua pulsante da saída de um sistema retificador precisa passar por um processo de filtragem que, dependendo da aplicação, deve ser o mais eficiente quanto seja possível.

A filtragem da corrente contínua pulsante pode ser realizada de diversas formas. A mais simples é a obtida com a utilização de um capacitor ligado conforme mostra a figura 1.

Figura 1- Usando um capacitor de filtro

Normalmente, para termos uma boa filtragem, usamos um capacitor eletrolítico de grande valor que vai funcionar como uma espécie de reservatório de energia, conforme segue.

Nos semiciclos em que o diodo conduz, o capacitor se carrega com a tensão máxima retificada, ou seja, a tensão de pico do secundário do transformador. Se ele for especificado para fornecer uma tensão de 12 Volts, este valor corresponde a um valor "rms". O valor de pico é obtido multiplicando-se 12 por 1,41 (raiz quadrada de dois). Isso significa que o valor de pico da tensão deste semiciclo é de 12 x 1,41 = 16,92 Volts. É com esta tensão que o capacitor se carrega em cada semiciclo conduzido, conforme o leitor poderá ver na figura 2.

Figura 2 - A ação do capacitor de filtro

Veja que não obtemos necessariamente uma tensão contínua de 12 V, se usarmos numa fonte um transformador com secundário de 12 V,

mas, em princípio, muito mais! Essa tensão será a de pico da rede, quando o capacitor estiver completamente carregado.

Na prática, entretanto, a tensão não atinge o máximo, pois a fonte precisa fornecer uma corrente a um circuito externo. Assim, nos intervalos entre os semiciclos, quando a tensão no diodo "cai", e ele é mesmo polarizado no sentido inverso, o capacitor se encarrega de fornecer tensão para o circuito alimentado, não a deixando cair, ou deixando muito pouco.

Desta forma, a tensão aplicada ao circuito alimentado e, consequentemente, a corrente, variam muito pouco. Esta variação ou queda no circuito de carga será tanto menor quanto maior for o capacitor usado, conforme o leitor poderá ver na figura 3, pois ele pode fornecer energia por mais tempo a esse circuito externo.

Figura 3 - Tensão na carga, com a presença do capacitor de filtro

Evidentemente, com uma variação muito pequena, já obtemos algo que se aproxima muito de uma corrente contínua pura ou filtrada. A pequena variação que ocorre entre os semiciclos, é importante em muitos circuitos, pois ela pode se traduzir em roncos, tanto no caso de receptores de rádio, amplificadores, como transmissores, e em televisores pode fazer "ondular" uma imagem.

Esta variação é denominada "ripple" (ondulação, em inglês) devendo ser a menor possível numa boa fonte. Normalmente ela é especificada em termos de milésimos de volt.

Uma "regrinha" prática para o projetista de uma fonte permite escolher o valor ideal do capacitor de filtro usado. Normalmente, usamos 1 000 µF de capacitância para cada 1 ampère de corrente que precisamos, isso entre 3 V a 15 V de saída. Esse valor é dado para que o ripple se mantenha dentro de níveis aceitáveis para a maioria das aplicações.

Entretanto, existem cálculos mais precisos que permitem determinar o valor mínimo de um capacitor de filtro de uma fonte em função da amplitude do ripple, ou seja, de quantos volts deve ser o ripple aceito na aplicação.

Veja o leitor que a tensão que aparece no circuito externo alimentado ou carga depende da corrente que ele consome. Se esta corrente for muito baixa, e o capacitor for suficientemente grande, há tempo para ele se carregar com a tensão de pico e entre os semiciclos sua descarga é praticamente nula. Temos então a aplicação na carga, ou na saída da fonte, uma tensão igual a do secundário do transformador multiplicada por 1,41. Um transformador de 12 Volts resulta numa saída de ordem de 16 V, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 - Filtragem com carga de baixo consumo

Se a corrente for elevada, a descarga parcial do capacitor entre os semiciclos faz com que a tensão média caia, e tenhamos na carga um valor menor, conforme o leitor verá ao na figura 5.

Figura 5 - Filtragem com carga de alto consumo

O fato do capacitor se carregar com a tensão de pico é muito importante na escolha deste componente. A tensão de trabalho de um capacitor de filtro não é a tensão do transformador, nem a de pico, mas um valor maior. Assim, para um transformador de 12 V, levando em conta os 16,9 V de pico, chegamos a um valor seguro de tensão de trabalho para o capacitor de 25 V.

O filtro que estudamos é o mais simples, pois emprega apenas um capacitor. Podemos melhorar a filtragem de uma fonte agregando outros componentes, como indutores e resistores.

Na figura 6 temos alguns filtros mais elaborados que são encontrados em muitas fontes de alimentação.

Figura 6 - Outros tipos de filtros

Fator de Ripple

O fator de ripple () ou ondulação é definido como a relação entre oi valor RMS da tensão de saída e o valor DC da tensão de saída vezes 100. A fórmula seguinte expressa esta definição e é utilizada para calcular o fator de ripple.

Figura 7

Fórmula f2.1

Fator de ripple:

Fórmula

Onde: é o fator de ripple

Vrms é o valor rms da tensão de saída em volts (V)

Vdc é o valor médio da tensão de saída em volts (V)

Carga Resistiva

a) Retificador de meia onda = 120%

b) Retificador de onda completa = 48%

TABELA

Características dos retificadores (usando cargas resistivas)

Pdc = potência de saída em watts (W)