AULAS DE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I (ELT 031) Experiências com Diodos - N os 1, 2 e 3 e Projeto Desafio

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1 Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Engenharia Eletrônica AULAS DE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I (ELT 031) Experiências com Diodos - N os 1, 2 e 3 e Projeto Desafio

2 Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Engenharia Eletrônica LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I (ELT 031) Guia de Aulas Práticas: DIODOS Prof. Pedro Donoso Garcia; pedro@cpdee.ufmg.br; Sala: 202/CPDEE 1. Objetivos O principal objetivo deste bloco de aulas práticas é a familiarizar-se com as propriedades básicas dos DIODOS, através de experiências com aplicações deste componente. Concentraremos a nossa atenção nas caraterísticas v-i do componente semicondutor e as propriedades em condução direta. 2. Componentes e Instrumentação Muitas experiências em laboratório poderiam ser realizadas com um único diodo e de um tipo e este circuito funcionaria bem. Mas, há circuitos eletrônicos nos quais são requeridos diodos com características especiais e que com qualquer diodo não seria possível seu funcionamento. Há muito que aprender sobre os vários tipos de diodos e suas aplicações (Visite os links na nossa HP ( olhe os fabricantes de diodos: Motorola, Philips, IRF, Semikron entre outros). Serão utilizados nestas aulas, diodos de sinal 1N914 ou 1N4148, diodos retificadores de baixa potência da série 1N4000 (1N4004 ou 1N4007) e diodos zener. É necessário que o aluno tenha junto a este guia de aula os catálogos dos componentes em estudo. Os catálogos se encontram na HP. i Fig. 1.- Símbolo do diodo e o componente real. A Figura 1 mostra o símbolo do diodo e o correspondente componente real. A faixa sobre o componente indica o cátodo do diodo. A seta indica a forma de condução da corrente quando é aplicada uma tensão +V. Para saber mais sobre a nomenclatura de identificação dos diodos leia a apostila NORMAS na HP. Os materiais utilizados para estas aulas práticas serão: diodos, resistores, capacitores de poliester e eletrolíticos, transformador (da bancada), fontes de alimentação variável, multímetro digital (escalas: Voltímetro CC, AC e ohmnímetro), osciloscópio de dois canais e gerador de forma de onda. 3. Bibliografia - Leitura preliminar + V - i) Abdel S. SEDRA & K. C. SMITH; Microelectronic Circuits, Oxford Series in Electrical Engineering, 4 a edição, 1998; (livro texto) Faz-se muito importante uma leitura criteriosa dos itens de 3.4 a 3.7 do livro texto. 1

3 4. Preparação da aula prática (P) Seguindo o modelo usual de procedimentos deste guia de aula prática, a preparação é fundamental para a realização do trabalho experimental. No processo experimental, surgirão uma série de questões sobre o circuito eletrônico que está sendo verificado. A preparação da experiência (aula) ajudará a pensar sobre alguns acontecimentos e sobre os resultados obtidos. Tudo isto faz parte do procedimento de aprendizado. A preparação das aulas práticas deverá acontecer com antecedência, através do estudo dos itens assinalados para a bibliografia citada com suas respectivas simulações dos circuitos que serão realizados no laboratório. Este procedimento possibilita a obtenção de um maior proveito no aprendizado de uma montagem. Uma experiência pode - ou deve - ser um procedimento de descoberta, no qual as palavras "pensamos e fazemos", ou "hipóteses e teste" não podem estar separadas. ATUAÇÃO DO DIODO CONDUÇÃO DIRETA DO DIODO P1.1. Medições básicas (a) Um diodo tem seu cátodo aterrado e seu ânodo esta ligado através de uma resistência R=1kΩ a uma fonte CC de 10V. A tensão VD=0,65V. Qual é o valor da corrente que circula por estes componentes?. (b) Uma resistência de carga RL=1kΩ é ligada em paralelo ao diodo D, apresentando uma queda de tensão de 3,5mV. Quais são as novas condições de funcionamento deste circuito? Estime o valor da constante n do diodo. P1.2. Modelo do diodo para grande sinal (a) Utilize as características tensão corrente mostradas na Figura 3.20 do livro texto para estimar a tensão VDO e a resistência rd para o modelo do diodo que opera de 0.5mA a 5mA. P1.3. Modelo do diodo para pequeno sinal (a) Um diodo de silício com n=2 opera com uma corrente direta de 5mA e com uma queda de tensão de 0,69V, o circuito tem uma alta resistência de fonte. Qual é o valor da resistência rd?. (b) Se uma resistência de 1kΩ é conectada em paralelo ao diodo, qual é o novo valor da tensão da junção P-N que você espera? Que resistência ligada em paralelo produzira uma queda de tensão de 10mV?. (c) Realize uma simulação de um retificador meia onda utilizando o modelo de um diodo conhecido (Ex. 1N4007) e o modelo do diodo da Fig e da Figura Analise os resultados e explique. (d) Simule um retificador de meia onda utilizando o modelo do diodo da Figura 3.21 colocando uma resistência em paralelo de 40MΩ. Analise os resultados e explique. P2. Retificador Ideal (a) O circuito de um retificador de média onda consiste em um diodo ideal cujo cátodo esta ligado em série com uma resistência R aterrada. Este circuito esta sendo alimentado por uma fonte de tensão alternada de 14V eficazes com freqüência de 60Hz. Esquematize as formas de onda de entrada e de saída. (b) Agora, considere a queda de tensão direta do diodo VD=0,7V, para qualquer corrente id, para este caso desenhe novamente a forma de onda de tensão de saída. (c) Como ficaria a forma de onda de tensão de saída se no lugar do diodo retificador colocamos um diodo zener de VZ= 3,3V?, desenhe a forma de onda. 2

4 (d) Se Vi ( t) = Vp sen( ωt), calcule a expressão para a tensão média na saída do retificador. Com esta expressão calcule o valor da tensão eficaz do secundário do transformador. A escolha do diodo é feita levando em consideração o valor da corrente média, o valor da corrente de pico máxima e o valor da tensão reversa. Deduza uma expressão para esta corrente e tensão. (e) Repita os passos de (a) a (d) para um retificador de onda completa com tap central e em ponte. Aponte as diferenças e semelhanças entre estes três tipos de retificadores. (f) Utilize o programa der simulação PSPICE para conferir os resultados obtidos. P3. Filtro capacitivo na saída de um Retificador (a) Ao circuito retificador de média onda foi ligado um capacitor C=100 µf em paralelo com a resistência R. Considerando o diodo ideal, esquematize a forma de onda de tensão de saída. (b) Considere o caso de um diodo real com queda de tensão VD=0,7V, esquematize a forma de onda de tensão de saída. (c) Calcule uma expressão para dimensionar o capacitor de filtragem, tendo como variáveis a tensão de ripple, a freqüência e a corrente de carga. (d) Projete o retificador em questão para trabalhar com uma corrente média de carga de aproximadamente 100mA e uma tensão de ripple de 10% da tensão nominal. Simule seu projeto para conferir resultados. 3

5 5. Verificação Experimental (E) EXPERIÊNCIA 1: Características tensão-corrente de um diodo E1.1 Características de polarização direta e reversa de um diodo Objetivos: Verificar as características de polarização direta de um diodo quando é aplicada uma tensão positiva variável e as características de polarização reversa. E.1.2. Traçado no osciloscópio das características v-i de um diodo As curvas características v-i do diodo podem ser observadas no osciloscópio. (a) Monte o circuito mostrado na Figura 2. Ligue os canais A e B do osciloscópio como mostrado na figura. Observe que o símbolo de terra no cátodo do diodo é o terra do osciloscópio. Modifique a varredura interna do osciloscópio por um sinal externo (note que as formas de onda do osciloscópio corresponde ao plano x vs t ). A polaridade do sinal do canal B deve ser invertida para obtermos a polaridade correta da corrente no diodo. Figura 2.- Medida das características V-I no osciloscópio (b) Troque o diodo retificador do circuito da Figura 4 por um diodo zener de 4,7V ou próximo a este valor. E Atividades: Explique as características encontradas para os itens anteriores. E.1.3. Medição do tempo de recuperação reversa (trr) O tempo de recuperação reversa do diodo pode ser observado no osciloscópio. Montagem Monte um retificador de meia onda implementado com diodo 1N4148, como mostra a Figura 3. Alimente este retificador com uma forma de onda quadrada com amplitude de ±5V. Figura 3. Medida do tempo trr 4

6 Meça o tempo de recuperação reversa do diodo, aumentando gradativamente a freqüência até que a comutação do diodo seja significativa (f>5khz.) Troque o diodo pelo diodo retificador 1N4004 ou 1N4007. Meça o trr deste diodo. Compare os resultados. Analise Porque a diferença dos tempos de comutação reversa. dos diodos?. Compare os resultados práticos com os dos catálogos dos diodos utilizados nesta experiência - conclua. 5

7 EXPERIÊNCIA 2: Atuação do diodo: Retificador com e sem filtro capacitivo Veremos uma importante aplicação do diodo, denominada de retificação, que nada mais é que a transformação de um sinal ou forma de onda alternada (± ou bipolar) em um sinal contínuo (+ ou - /unipolar). E2.1 Retificador ideal Objetivos: Verificar detalhadamente o comportamento do diodo na função de retificador. Montagem: Figura 4.- Retificador meia onda! Projete e monte o circuito mostrado na Figura 4, de forma a ter uma corrente de carga de 100mA.! Coloque as pontas do osciloscópio canal A no nó A e o canal B no nó B. Medições: (a) Meça as tensões nos nós A e B utilizando o osciloscópio; (b) Estime o valor de tensão no diodo para pico da tensão de saída e quando a tensão de saída é de um décimo do valor de pico. (c) Examine as tensões nos nós VA e VB, na passagem por zero. Estime o tempo (angulo de fase) no qual o diodo começa conduzir e quando a tensão de saída é a metade da tensão de pico. Confirme matematicamente suas observações baseadas na amplitude, freqüência e a onda de tensão senoidal de entrada. Tabele: VA VB VDpico VDpico/10 td/2 ΦD/2 vd/2 vd Análise: Pelas medições realizadas anteriormente, o que você pode concluir sobre o funcionamento do diodo nas varias situações experimentadas. E2.2 Filtro capacitivo Objetivos: Examinar o uso de um capacitor na saída do retificador como filtro. Verificar o fluxo de energia entre os intervalos de condução do diodo. Observe a forma como o capacitor influencia nas tensões e correntes do circuito retificador. 6

8 Montagem: Monte o circuito mostrado na Figura 5. A tensão de entrada é: Vi = 14 * 2 sen( 2πf.t ). Observe que C é um capacitor polarizado (eletrolítico de 470uF/35V ). Figura 5.- Retificador meia onda com filtro capacitivo A resistência Rs é uma resistência "shunt" onde poderá ser "vista" a corrente de carga e descarga do capacitor. (Rs 0,5Ω) Medições: (a) Mostre as formas de onda nos nós A e B com o osciloscópio. Estime a queda de tensão do diodo durante a condução. (b) Conecte uma resistência de 270Ω em paralelo com a resistência RL. Observe a forma de onda da corrente no capacitor. Meça as tensões na entrada do retificador (nó A) e na saída (nó B). Meça a tensão de ripple. Estime o intervalo de condução direta do diodo. (c) Verifique a forma de onda da corrente de entrada do retificador., para isto coloque uma resistência shunt em série com o diodo. (d) Verifique a forma de onda de corrente do capacitor. (e) Descreva que esta acontecendo com o circuito. Defina o que é Fator de Potência para este circuito. Tabele: Va VB icap p Vripple Vmed ΦD Análise: Com os dados obtidos anteriormente, obtenha o valor do capacitor de filtro. Conclua sobre estes resultados. 7

9 E2.3 Regulador de tensão com diodo zener Objetivos: Projetar um regulador básico, utilizando um diodo zener. Fazer algumas medições no circuito. Projeto e Montagem: a) Projetar o regulador paralelo (shunt) mostrado na figura 6, que utiliza um diodo zener 1N4738. A fonte que alimenta este circuito apresenta uma tensão aproximada de 19 V com variação de ±10%. Para o diodo zener do circuito, pergunta-se: qual é a tensão VZ0?. Para uma resistência de carga RL=330Ω e com corrente de zener IZ=10mA, qual é o valor da corrente que flui pela resistência R?. Para o valor nominal da tensão da fonte de alimentação, determine o valor da resistência R? Qual a potência mínima deste resistor?. Para uma variação da tensão de alimentação de ±10%, qual é a variação da tensão de saída Vo? Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a este regulador?. Utilize os dados de catalogo deste diodo zener que se encontra na HP. b) Simule o regulador projetado. Implemente no Pspice o modelo do zener que esta sendo utilizado. c) Monte o circuito mostrado na Figura 6. O retificador utilizado foi montado e estudado na etapa anterior. Figura 6 Regulador paralelo com diodo zener. 8

10 EXPERIÊNCIA 3: Outras aplicações dos diodos Veremos outras importantes aplicações, principalmente como: multiplicador de tensão, recortador de tensão. Existem também outras aplicações com circuitos lógicos. E3.1 Circuitos grampeadores de tensão Objetivos: A função do circuito diodo grampeador é deslocar a tensão de entrada de tal forma que o valor resultante máximo da saída permanecerá em um valor fixo, sem que ocorra distorção da forma de onda aplicada. A tensão de saída é dita grampeada positivamente e o circuito está mostrado na Figura 9. Figura 7. Circuito Grampeador Para o circuito da Figura 7, aplicando uma tensão de entrada alternada, o capacitor se carrega com o valor de pico máximo da tensão durante o semi-ciclo negativo da tensão de entrada, com uma constante de tempo τ=rd*c. Após da carga do capacitor, a tensão de saída será: v o = vin + vcap = vin + VC. Montagem: (a) Monte o circuito grampeador da Figura 7. A tensão de alimentação Vs do circuito pode ser a tensão do secundário do transformador (14V). Verifique o funcionamento deste circuito. (b) Inverta a polaridade do diodo. Verifique o funcionamento deste circuito. Tire suas conclusões. Medições: Meça as tensões utilizando um voltímetro e observe as formas de ondas nos pontos importantes do circuito. Analise Analise o circuito quando aplicamos uma tensão quadrada e determine as equações. Esboçar as formas de onda de tensão em todos os ramos deste circuito. E3.2 CIRCUITOS MULTIPLICADORES DE TENSÃO Os circuitos a ser examinados têm aplicação direta em fontes de alimentação, estes circuitos são freqüentemente utilizados em fontes de alimentação que operam em altas freqüências. Objetivos: Estudo e experimentação dos circuitos dobradores de tensão de um e de mais estágios (multiplicadores de tensão) E Dobrador de tensão de um estágio O circuito da Figura 8 mostra um dobrador de tensão de um único estágio. Para este circuito, quando a tensão da fonte v s = V sen( ωt ) esta no semi-ciclo negativo, o diodo D1 passa conduzir, carregando o capacitor com a tensão de pico da tensão de entrada. Com o ciclo positivo da tensão de entrada, o diodo D2 é polarizado diretamente, passando a conduzir. O capacitor C2 é carregado com a 9

11 tensão V cap2 = VC1 + VP que corresponde ao dobro da tensão de pico da tensão vs(t). Observe que este circuito está sem carga. Figura 8. Dobrador de tensão Montagem em medições: (a) Monte o circuito dobrador de tensão da Figura 8. Utilize capacitores de 100µF e diodos da série 1N4000. A tensão de alimentação Vs do circuito pode ser um gerador de forma de onda senoidal, com tensão de entrada de 10V e freqüência de 60Hz. Verifique o funcionamento deste circuito. Faça as leituras de tensão nos pontos A, B, e C utilizando um voltímetro. (Observe que são tensões contínuas e alternadas). (b) Com o osciloscópio, observe simultaneamente as formas de onda nos nós A e B e nos nós B e C. Esboce as formas de ondas nestes pontos. Conclua sobre o funcionamento deste circuito. (c) Enquanto observa os nos B e C, meça também a tensão se saída no nó C. Conecte uma resistência de carga de 2,2kΩ. Que mudanças apresentou as formas de onda no circuito?. (d) Com a resistência de carga ligada na saída, aumente a frequência em 10 vezes. Observe e conclua. (e) Alimente o circuito com uma onda quadrada simétrica em freqüência de 60Hz.. Observe as mudanças que aparecem nas formas de ondas no circuito em relação a uma forma de onda quadrada. Preste atenção no que se refere a tensão de saída e a tensão de "ripple". (f) Aumente a frequência em 10 vezes. Observe e conclua. Analise Analise cuidadosamente as formas de onda o circuito no que se refere: a alimentação com tensão de forma de onda senoidal ou quadrada, a variação da frequência da tensão de entrada. Considere a queda de tensão dos diodos. Simule este circuito no Pspice. E Circuito multiplicador de tensão O circuito da Figura 9 é um multiplicador de tensão de vários estágios. OBS. Para o estudo deste circuito será utilizado o programa Pspice. Esta prática de simulação pode ser realizada em grupo de 02 alunos. Montagem em medições: (a) Monte o circuito da Figura 9 no "esquemático" do Pspice. 10

12 Figura 9. Circuito multiplicador de tensão. (b) Plote e meça as formas de ondas de tensão em todos os nós deste circuito. Verifique o funcionamento com frequência da fonte de alimentação com os valores de 60 Hz. até 600Hz. (c) Explique o principio de funcionamento deste circuito (d) Verifique o funcionamento deste circuito com fonte de alimentação com formas de onda quadrada e triangular. Varie a freqüência das fontes de alimentação (Ex. 60 Hz. " 600Hz). Preste atenção no que se refere a tensão continua e a tensão de ripple. (e) Compare os resultados para as três formas de onda e nas duas freqüências de funcionamento. Conclua. 11

13 E3.3 CIRCUITOS LIMITADORES Os circuitos Limitadores tem o comportamento de um circuito linear, onde a tensão de saída seja proporcional à entrada, vo= K vi. Este circuito atua dentro de certa faixa de tensão definida por: L K vi L+ K. Se o valor de a tensão de entrada for superior ao valor de L + K, a saída será limitada no valor L+. De forma análoga, se a entrada for inferior alo valor L K, a tensão de saída v0 será limitada no seu limite inferior L-. A Figura 10 mostra um circuito limitador bipolar, caraterizado por atuar com tensões positivas e negativas. Os circuitos limitadores de tensão também são conhecidos como ceifadores. v o L + K L - K 1 L + K v i L - Figura 10 Caraterística de transferência de um circuito limitador Os circuitos limitadores tem sua principal aplicação em sistemas de processamentos de sinais e em proteção contra sobretensões. Nesta parte da matéria, vamos trabalhar cm os limitadores passivos. Os principais circuitos limitadores ou ceifadores de tensão estão representados no Quadro 1 com suas respetivas caraterísticas de transferência. Objetivos: O principal objetivos desta prática é verificar o funcionamento dos circuitos ceifadores de tensão. Montagem em medições: (a) Monte os circuitos do quadro 1 - Figuras (c2) e (d2). Utilize diodos 1N4148 e diodos zener na faixa de 3V3 a 4V7. (b) Calcule o valor da resistência R, de forma a limitar a corrente direta em 10mA quando é aplicada uma tensão de entrada alternada de 10V pico-pico. (c) Utilizando o osciloscópio, visualize a caraterística de transferência. Analise Analise a caraterística de transferência dos circuitos testados. Comente sobre as possíveis aplicações que pode ser dada a estes circuitos. 12

14 Característica Vi-Vo Quadro 1 Circuito (a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2) (d1) (d2) 13

15 Experiência N ALGUMAS APLICAÇÕES DE CIRCUITOS A DIODOS PROJETO DESAFIO Objetivos: Os objetivos desta experiência têm um caráter de desafio. Como mencionado anteriormente, desafio, porque serão realizados um conjunto de circuitos eletrônicos com o objetivo de construir uma fonte de alimentação CC. Para isto, será posto na prática todos os conhecimentos que tem sido adquiridos na disciplina de Eletrônica 1, tais como diodos, amplificadores operacionais, transistores e outros componentes Componentes e Instrumentos: Serão utilizados diodos retificadores, diodos zener, Amp. Op. 741 e/ou TL071, resistências, capacitores, transistores de baixa e média potência, transformadores e outros dispositivos que sejam necessários para a montagem do "circuito - desafio" proposto Procedimentos para a preparação da experiência: A experiência desafio será realizada em grupos de dois alunos. Cada grupo poderá escolher um trabalho sugerido no item 4.4. Alguma sugestões sobre os procedimentos: a) Discutir amplamente com seus colegas de grupo sobre ideais de encaminhamento para o trabalho proposto. Note que, uma fonte de alimentação CC consta dos seguintes estágios: transformador de potência, estágio retificador, filtro, regulador de tensão de saída, proteções; b) Faça um esboço da fonte CC, pode ser a nível de diagrama de blocos, apontando possíveis circuitos que atendam as condições de funcionamento ou especificações do trabalho; Lembrem-se: - Uma experiência pode -(ou deve)- ser um procedimento de descoberta, no qual as palavras "pensamos e fazemos" -"hipóteses e teste"- não podem estar separadas. c) Colocar "no papel" um esboço do possível circuito proposto, e projetá-lo; d) Utilize o PSpice com o objetivo de comprovar o funcionamento do circuito projetado. Na simulação, utilizando valores comerciais dos componentes; e) Neste ponto, pode passar para a montagem do circuito Sugestões dos trabalhos Fonte de alimentação CC variável com tensão de saída positiva e negativa com controle independente e com proteção à sobrecorrente; Fonte de alimentação simétrica variável e com proteção à sobrecorrente Apresentação das atividades desenvolvidas: a) Os alunos deverão apresentar a montagem do trabalho proposto, funcionando, durante aula prática destinada à experiência desafio. b) Cada grupo deverá apresentar um relatório constando: Introdução, principio de funcionamento do circuito proposto, cálculos de projeto ou dimensionamento dos componentes (diodos, capacitores, transistores, etc.), resultados de simulação, resultados experimentais, conclusões, bibliografia. c) O relatório será entregue neste dia. 14

16 Catálogo de diodos: 1N4148 Série 1N4000 Série 1N28xx (zener) Série 1N52xx (zener) 15