Guia de Aulas Práticas de Eletrônica Analógica e Digital AULA PRÁTICA 05 CIRCUITOS A DIODOS. 1. OBJETIVOS: Estudar diversas aplicações para os diodos

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1 AULA PRÁTICA 05 CIRCUITOS A DIODOS 1. OBJETIVOS: Estudar diversas aplicações para os diodos 2. PRÉ-REQUISITOS: Capítulo 2 do livro texto. 3. RESUMO TEÓRICO: O diodo, apesar de ser o dispositivo semicondutor mais elementar, é largamente empregado nos mais diversos circuitos eletrônicos. Nesta aula prática serão estudadas várias aplicações para o diodo em circuitos retificadores, dobradores de tensão, circuitos lógicos, sensor de temperatura, etc CIRCUITOS RETIFICADORES A aplicação básica de um diodo é na conversão c.a-c.c. A figura 1 apresenta o circuito de um retificador de meia onda. Para a análise deste circuito podemos geralmente considerar o modelo do diodo ideal. No semiciclo positivo da tensão de entrada, o diodo está polarizado diretamente e a tensão de saída V o (t) é portanto igual à tensão de entrada V 2 (t). No semiciclo negativo do sinal V 2 o diodo está polarizado reversamente e consequentemente a corrente e tensão na carga são nulas. Figura 1 Circuito retificador de meia onda A especificação de um circuito retificador consiste basicamente na tensão média de saída desejada e corrente média máxima de saída. 34

2 Para o aluno: Se V 2 (t) = V m sen(wt), calcule a expressão para a tensão média na saída do retificador. A partir desta expressão determina-se então a tensão eficaz do secundário do transformador e a potência do transformador. O diodo é escolhido a partir da corrente média máxima no diodo e tensão reversa máxima no diodo. O circuito da figura 1 é o retificador mais elementar, utilizado em baixas potências. A figura 2 apresenta o circuito de 2 retificadores de onda completa. O circuito com dois diodos é denominado circuito retificador de onda completa com tap central. No semiciclo positivo da tensão de entrada o diodo D 1 conduz e a tensão aplicada à carga é igual a V 2. No semiciclo negativo o diodo D 2 conduz aplicando à carga V 2 (t). A tensão resultante na carga é mostrada na figura 2. O retificador com 4 diodos é denominado retificador em ponte. No semiciclo positivo de V 2 (t) D 1 e D 4 conduzem e no semiciclo negativo D 2 e D 3. É facil verificar que o valor médio da tensão na carga é o dobro da tensão média do retificador de meia onda. A principal diferença no projeto dos dois retificadores é a tensão reversa que cada diodo deve suportar. Observe que no retificador com tap-central a tensão nos terminais do diodo que não está conduzindo é igual a 2V 2. Figura 2 Circuitos retificadores de onda completa Normalmente é necessário filtrar a tensão de saída dos circuitos retificadores colocando-se um capacitor em paralelo com a carga, como mostra a figura 3 para o 35

3 retificador em ponte. Neste caso, o capacitor é recarregado a cada semiciclo através dos diodos até o valor máximo da tensão de entrada. Quando a tensão de entrada fica menor que a tensão no capacitor, os diodos permanecem polarizados reversamente. Neste intervalo o capacitor fornece corrente à carga. Normalmente são necessários valores elevados de capacitâncias para obter-se uma pequena ondulação de tensão (ripple) na carga. Por esta razão são geralmente utilizados capacitores eletrolíticos nestes circuitos. A figura 4 mostra um circuito retificador com filtro a capacitor onde obtém-se tensões simétricas com relação ao tap central do transformador. Observe que o capacitor C 1 é carregado através dos diodos D 1 ou D 2 formando um retificador de onda completa com tap central. Este retificador é constituido portanto pela associação de dois retificadores deste tipo. Figura 3 Retificador de onda completa com filtro a capacitor Figura 4 Retificador de onda completa com filtro a capacitor fornecendo tensões simétricas O projeto do filtro consiste basicamente na escolha dos capacitores em função da tensão máxima em seus terminais e do valor da capacitância em função da ondulação de tensão máxima especificada para a saída. A expressão para a amplitude da ondulação de tensão nos retificadores de onda completa é: 36

4 I V = CC r 2 fc (1) onde I CC é o valor médio da corrente na carga, f a frequência da tensão V 2 e C o capacitância de filtragem. 3.2 Circuito Grampeador de tensão O circuito da figura 5 é denominado circuito grampeador. No semiciclo negativo da tensão Vs o diodo D 1 conduz, carregando o capacitor com o valor de pico da tensão de alimentação. Se a carga do circuito é pequena, o capacitor permanece carregado com este valor de tensão. A tensão V o será portanto a tensão V s em série com a tensão V m do capacitor. A tensão de saída é mostrada na figura 5. Figura 5 Circuito Grampeador Circuitos Multiplicadores de Tensão O circuito da figura 6 é um dobrador de tensão. No semiciclo negativo da tensão V s (t), o diodo D 1 conduz carregando o capacitor C 1. O diodo D 2 está polarizado reversamente neste intervalo. O capacitor C 1 é carregado com o valor máximo da tensão de alimentação. No semiciclo positivo o diodo D 2 é polarizado diretamente e o capacitor C 2 é então carregado pela associação em série do capacitor C 1 e V s (t). C 2 carrega-se portanto com o dobro da tensão de alimentação. 37

5 Figura 6 Circuito dobrador de tensão O circuito da figura 6 pode ser generalizado para um circuito multiplicador como mostra a figura 7. Explique o funcionamento deste circuito. Vm 3Vm 2Vm 4Vm Figura 7 Circuito multiplicador 3.4 Circuitos Lógicos Circuitos a diodos podem ser utilizados para efetuar funções lógicas. Por exemplo, no circuito da figura 8, se as tensões V 1, V 2 e V 3 são positivas e diferentes, a tensão de saída V o será igual a maior entre as três tensões de entrada. Figura 8 Circuito lógico OU 38

6 V 1 V 2 V 3 V O Tabela I Tabela verdade da função lógica OU de 3 entradas Considere agora que cada uma das tensões V 1 V 2 e V 3 possa assumir apenas dois valores distintos. Por exemplo, 0 e 5V. Denominaremos estas duas tensões de níveis lógicos 0 e 1 respectivamente. Existem, neste caso, oito combinações possíveis para as entradas na figura 8. Estas possibilidades estão resumidas na tabela 1 (denominada tabela verdade). Observa-se pela figura 8 que se pelo menos uma das tensões de entrada é igual a 5V (nível lógico 1) a saída também é igual a 5V. Esta função lógica é chamada de OU. Funções lógicas binárias, ou seja, onde as variáveis lógicas só podem assumir dois valores distintos, são utilizadas em circuitos eletrônicos para tomada de decisão e estão no princípio de operação dos computadores. 3.5 Circuitos Grampeadores O circuito da figura 9 é um exemplo de circuito grampeador. No semiciclo positivo da tensão de entrada, a tensão de saída será igual V s até o instante em que V s = V 1. Neste instante, o diodo D 1 conduz e a tensão de saída permanence igual a V 1 enquanto V s for maior que V 1. No semiciclo negativo D 2 passa a conduzir para valores de V s abaixo de V 2 e a tensão de saída fica grampeada neste valor. A figura 9 mostra a forma de onda da tensão de saida com V 1 = 7V e V 2 = 2V. 39

7 Figura 9 Circuito grampeador Os circuitos grampeadores muitas vezes utilizam a tensão direta dos diodos, diodos zener ou divisores de tensão resistivos para obter as tensões de comparação ao invés das fontes V 1 e V 2 empregadas na figura 9. Na figura 10 por exemplo a tensão de saída estará limitada a +/- Vz. Figura 10 Circuito grampeador a diodo zener 4 - PARTE PRÁTICA 1 - Construa experimentalmente a tabela verdade para o circuito lógico abaixo. Esta função lógica é denominada E (AND). 40

8 2 Monte um circuito retificador de onda completa com tap central para obter uma tensão média de saída de aproximadamente 12V utilizando o transformador de 127V/(14+14)V disponível na bancada. Ulilize como carga um resistor de 1KΩ. Meça a tensão média de saída e a tensão reversa nos diodos. 3 Monte um circuito grampeador. Utilize como tensão de entrada o secundário de 14V do transformador. Verifique o funcionamento do circuito. 4 Monte um circuito dobrador de tensão. Utilize como tensão de entrada o secundário de 14V do transformador. Verifique o funcionamento do circuito. 5 O circuito em ponte mostrado abaixo é utilizado para medição de temperatura. A corrente no diodo é praticamente constante. As variações da tensão direta do diodo (Vγ) com a temperatura serão lidas com um voltímetro. Equilibre a ponte (leitura zero no voltímetro) para uma temperatura de zero graus. Utilize um cubo de gelo para obter esta referência de temperatura. Meça em seguida a temperatura do corpo humano utilizando o diodo como sensor. 41

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