ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 1 DIODOS SEMICONDUTORES

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1 ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 1 DIODOS SEMICONDUTORES OBJETIOS Testar diodos utilizando multímetro digital. Desenhar a curva característica tensão vs. corrente. Medir tempo de recuperação reversa - t RR. LISTA DE MATERIAL Fonte de tensão contínua ajustável 15/1A Multímetro digital Osciloscópio de dois canais Gerador de funções Resistor 1/3 W, 5%, 1 kω(1) 10 kω(1) 100 kω(1) 1 MΩ(1) Potenciômetro 4k7 ou 10 kω Diodos semicondutores 1N4001/1N retificador (1) 1N retificador rápido (1) 1N758/C10 - zener 10, 400mW (1) LED (1) ESPECIFICAÇÕES DO DIODO Diodo é o termo utilizado para dispositivo eletrônico de dois terminais (eletrodos). Diodos semicondutores de silício, não necessariamente elementos de apenas uma junção, são designados por 1Nxxxx. Diodos retificadores são componentes eletrônicos de dois terminais com a propriedade de permitir a passagem de corrente em apenas um sentido. Diodo retificador semicondutor é constituído de a- penas uma junção PN, Para utilizar o diodo retificador devemos verificar, no mínimo, as seguintes especificações: Tensão (PI, RR) Corrente (eficaz, média, pico) Potência (média, pico) Resistência térmica e dissipador de calor. O valor máximo de corrente que o diodo pode conduzir, que deve ser menor que o máximo absoluto (maximum ratings), é limitado pela máxima temperatura suportável pela junção (125 o C a 200 o C). Em regime de operação contínuo esta temperatura pode ser calculada da seguinte forma. Θ J = Θ A + PD. RΘ( J A) Θ J = Temperatura da Junção Θ A = Temperatura Ambiente o C P D = Potência Dissipada W R Θ(J-A) = Resistência Térmica entre junção e ambiente o C/W o C Quanto maior a corrente, maior será a dissipação de potência no diodo. A potência média dissipada no diodo pode ser calculada pela seguinte e- quação: 2 P D(av) = R t.i D(RMS) + t.i D(Av) A resistência térmica depende da montagem, do tamanho do dissipador de calor e da ventilação disponível. Quanto maior o dissipador de calor, menor será esta resistência térmica. Em regime pulsado ou em ciclos intermitentes, o cálculo da temperatura da junção é muito mais complexo. Recomendamos a leitura dos manuais fornecidos pelos fabricantes de diodos. Para diodos retificadores de potência devemos especificar: tensão reversa de pico repetitivo e não repetitivo, corrente eficaz, média, de pico repetitivo e não repetitivo, corrente de sobrecarga, corrente de surto, di/dt, dv/dt, I 2 t, tempo de comutação ou recuperação, corrente reversa, queda de tensão direta, carga de recuperação reversa, etc. Devemos ainda especificar o dissipador de calor, o circuito snubber e fusíveis. Na Tabela abaixo temos alguns valores típicos para diodos de potência. I FA A I FSM (Tj=25 o C) A I FSM (Tj=125 o C) A I 2 t (Tj=125 o C) A 2 s I R (Tj=125 o C) 2,5 9 ma F (Tj=25 o C) 1,85 (75A) 1,35 (600A) t 0,85 0,8 Rt 15 0,8 mω R thjc I TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES o C/W Podemos testar um diodo rapidamente através de um multímetro. Na maioria dos casos podemos verificar se o diodo está queimado ou não. ATENÇÃO: Nos multímetros digitais devemos u- tilizar a escala especial para teste de diodos. Se o teste do diodo indicar a mesma leitura em ambas direções (menor que 0.5) provavelmente esta junção estará em curto-circuito. Por outro lado, se indicar OL em ambas direções, esta junção estará aberta ou trata-se de outro elemento. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

2 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 1 ATENÇÃO: Nos multímetros digitais a tensão produzida na função RESISTENCIA (Ω) é menor que 0,2, menor que a barreira de potencial do diodo, portanto indicará ABERTO (over load) nas duas direções (ou polaridades). Nos multímetros analógicos o teste é feito na escala de resistência. O resultado será oposto ao do DMM uma vez que a polaridade dos terminais do Ohmimetro é invertida. O terminal negativo da bateria está conectada ao terminal (+) ou (/Ω) do multímetro analógico Testar os diodos semicondutores utilizando dois multímetros digitais diferentes. Siga o procedimento conforme manual de operação do multímetro: Utilizar a escala especial para teste de diodos. Ligar a ponta de prova vermelha ao conector (/Ω) e a ponta de prova preta ao conector (COM) do DMM (Digital MultiMeter). Conectar a extremidade da ponta de prova vermelha (+) ao anodo do diodo e a extremidade da ponta de prova preta (-) ao catodo do diodo. ATENÇÃO: NUNCA tocar na parte metálica da ponta de prova Desta forma o diodo estará polarizado diretamente. O multímetro deverá indicar um valor entre 0.6 e 0.8. Este valor é a barreira de potencial do diodo e depende do diodo testado e principalmente da corrente de teste fornecida pelo multímetro (entre 0,5 e 2mA). Os LED s apresentam uma barreira de potencial superior a 2, limite na maioria dos multímetros digitais, portanto o teste indicará Over Load mesmo na polarização direta. Porém será possível observar uma pequena emissão de luz. Polarizando o diodo reversamente, terminal vermelho no catodo e terminal preto no anodo do diodo, o multímetro indicará Over Load (ou 1.) DMM Diodo direto reverso direto reverso 1N4001 1N4148 1N758 * LED ** ATENÇÃO: Graves acidentes ocorrem com o multímetro imprudentemente esquecido na função amperimétrica. Se um curto-circuito for provocado, o multímetro poderá explodir, dependendo da qualidade do fusível de proteção utilizado no multímetro e da potência de curto-circuito da fonte de tensão. II - CURA CARACTERÍSTICA Polarização direta O procedimento para obter a curva característica do diodo na polarização direta é medir a tensão no diodo para vários valores de corrente. O método utilizado depende do tipo de fonte de corrente contínua disponível. Pode ser uma fonte de corrente ou uma fonte de tensão, fixa ou ajustável. Se a fonte de tensão for fixa será necessária a utilização de potenciômetro. O método apresentado na Figura 2 utiliza uma fonte de tensão ajustável em série com um resistor. O valor da resistência depende da faixa do valor da corrente desejada. R =1MΩ ANODO (A) CATODO (K) COM /Ω COM /Ω Figura1- Teste de diodo Figura 2: Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização direta. ATENÇÃO: Devido ao baixo valor da tensão a ser medida recomenda-se utilizar a configuração tensão real ou curta derivação. Medir e anotar os valores de d para os valores de Id indicados na Tabela 1. Observe que a faixa de varredura da corrente é muito alta 20mA/2uA=10.000:1, ou seja, quatro décadas. Por este motivo adotamos uma varredura logarítmica com sequencia UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

3 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 1 Calcular a resistência dinâmica do diodo r d somente para alguns pontos. r d = I Para corrente de 10µ considere os valores para 5µA e 20µA Compare este resultado com a equação 25m r d = I D Calcular o valor real da corrente no diodo quando o amperímetro indicar 1mA. Considere 10MΩ como resistência do voltímetro. **erificar o efeito de carregamento causado pelo voltímetro configurado como tensão real medindo a corrente com e sem o voltímetro conectado em paralelo ao diodo. Esta corrente é na realidade a corrente que circula no oltímetro e não no diodo, uma vez que a corrente reversa do diodo não ultrapassa algumas dezenas de na (10-9 A). R =1kΩ Tabela 1 R Id d rd E Ω A Ω 1M 2µ - 5µ - 10µ 100k 20µ - 50µ - 100µ 10k 200µ - 500µ - 1m 1k 2m - 5m - 10m m - Figura 3: Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização reversa. Tabela 2 E r I R I R ** ua ua 5,0 10,0 15,0 **com voltímetro em paralelo ao diodo Circuitos alternativos Desenhar o esquema e descrever o procedimento para realização da Etapa II (curva característica) utilizando uma fonte de alimentação fixa de +12 e um potenciômetro de a) 1MΩ e b) 10kΩ. Polarização reversa Na polarização reversa o procedimento deve ser oposto ao da polarização direta. Agora devemos medir a corrente para vários valores de tensão. ATENÇÃO: Devido ao alto valor da resistência do diodo na polarização reversa, recomenda-se utilizar a configuração corrente real ou Londa Derivação. Montar o circuito da Figura 3 - basta inverter a polaridade do diodo. Medir e anotar os valores de I R e R para os valores de E indicados na Tabela 2. Construção do gráfico Com os dados da Tabela 1, desenhe a curva característica I x em gráfico linear (Figura 4) utilizando duas escalas para o eixo Y (200uA e 20mA) e em gráfico logarítmico (Figura 5). Desenhar, no gráfico linear, as retas de carga para E=2 e R= 1kΩ UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 3

4 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 1 20m 200u 20mA 15m 150u 100uA 10m 100u E = 1 R = 10kΩ E=2 R=100 5m 50u 2mA E=2 R=1k Figura 4: Curva característica do diodo na polarização direta gráfico linear Figura 5: Curva característica do diodo na polarização direta gráfico logarítmico 4 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

5 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 1 III- Influência da TEMPERATURA (OPCIONAL) Retornar o diodo à condição de polarização direta, Figura 2, com R=1 kω e E=10. Medir e anotar na Tabela 3 os valores de I D e D. Tabela 3 temperatura D I D Resfriado Ambiente Aquecido I- CARACTERÍSTICA I X OBTIDA COM O OSCILOSCÓ- PIO Para observar a curva característica do diodo a- través do osciloscópio basta configurar o circuito como retificador, utilizando um transformador ou um gerador de sinais com GND isolado, e conectar o osciloscópio conforme a Figura 6. Atenção: Isolar o GND de um dos instrumentos, osciloscópio ou gerador de funções, utilizando um plug adaptador para o cabo de força. Lembre-se que o terceiro pino do cabo de força está ligado à carcaça e ao GND do equipamento. 20pp 100Hz CH1 GND/GF ISOLADO GND OSCILOSCÓPIO R 1 1k - CH2 Figura 6: Circuito para observação da curva característica do diodo retificador com osciloscópio. Ajuste o osciloscópio no modo X-Y com o canal 2 INERTIDO e com os eixos no centro da tela. Canal CH1 (eixo X) tensão do diodo; Canal CH2 (eixo Y) tensão no resistor Ajuste a amplitude da onda triangular em 20 pico a pico (sem off set) e observe a curva na tela do osciloscópio Desenhe a curva na Figura 7 com Y=5/DI-DC e com X=5/DI-DC ou X=0,5/DI-DC. Figura 7- Curva característica do diodo. - RECUPERAÇÃO REERSA O diodo não passa do estado de condução para o estado de bloqueio instantaneamente. Por alguns instantes (nanosegundos) o diodo conduz reversamente. Utilize o esquema apresentado na etapa anterior (Figura 6) com gerador de sinais isolado da rede de alimentação. A freqüência deve ser ajustada entre 60Hz e 60kHz. O osciloscópio deve ser ligado como indicado na Figura 6. CH1 observará a forma de onda da tensão no diodo enquanto que o canal CH2 (INERTIDO) observará a corrente (tensão sobre R1). Observar as duas ondas no tempo na freqüência de 60Hz e depois em 6kHz. Medir o tempo de recuperação reversa diodo retificador phase control 1N4007 e do diodo retificador de comutação rápida 1N4148. t RR catálogo medido 1N4007 1N4148 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 5

6 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 1 I - FONTE DE TENSÃO E FONTE DE CORRENTE O diodo retificador é o dispositivo semicondutor mais elementar da eletrônica, porém não devemos subestimar sua potencialidade e a dificuldade para analisar circuitos com diodos. A análise de circuitos com diodos está longe de ser fácil e direto uma vez que ele é um elemento NÃO LINEAR. Um exemplo interessante é apresentado na Figura 10. Os dois circuitos aparentemente semelhantes apresentam resultados totalmente diferentes. D1 o=9,2 A) D Rc 1k D1 o=15 B) D2 Figura 8- Oscilograma da condução reversa no diodo 1N4001 Mude a forma de onda para QUADRADO e desenhe a forma de onda observada. + I1 10mA- + I2 5mA- 15mA Rc 1k Figura 10- Fonte de corrente e fonte de tensão. No circuito (A), com fonte de tensão, apenas o diodo D1 conduz. A tensão na carga é a tensão maior 1 menos a queda de tensão em D1 (consideramos D1 =0,8). No circuito (B), com fonte de corrente, os dois diodos conduzem. A corrente na carga é a soma das duas correntes (10mA+5mA=15mA), independente do diodo e da carga. Teremos 15 na resistência de 1 kω. Poderíamos dizer que uma fonte de tensão tem comportamento oposto ao da fonte de corrente. E- les são duais. Figura 9- Recuperação reversa do diodo retificador para onda quadrada 1N4001 Itajubá, MG, janeiro de UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

7 ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 2: RETIFICADORES OBJETIO O objetivo desta aula é observar e medir os valores de tensão nos circuitos retificadores e observar os efeitos do filtro capacitivo. MATERIAL UTILIZADO Equipamentos: Multímetro digital True RMS Multímetro digital Average Sensing Osciloscópio de 2 canais Componentes: Transformador 24-CT (ou 12+12)/1A Diodo retificador 1N4001/1N4007 (4) Resistor 5%, 1/3W: 1 kω (1); 330Ω (1) Capacitor eletrolítico >25: 10µF(1) 100µF(1) 1- REDE DE ALIMENTAÇÃO AC A grande finalidade do retificador é a conversão de corrente alternada para corrente contínua. Como a maior parte da energia elétrica é distribuída em corrente alternada ( tensão senoidal de 127/220/60Hz) e como todos aparelhos eletrônicos como televisor, rádio, som, fax, microcomputador, etc. funcionam em corrente contínua, podemos avaliar o quanto um retificador é utilizado A rede de alimentação em corrente alternada do laboratório é um sistema trifásico com neutro aterrado (127/220/60Hz) e malha de terra. A tensão entre o NEUTRO e qualquer uma das três FASES é 127 (RMS) e a tensão entre as fases, denominada tensão de linha, é de 220. A tomada de três pinos, utilizada para alimentação dos instrumentos em 127, possui dois pinos chatos (FASE e NEUTRO) e um pino redondo (TERRA). A tomada de dois pinos (FASE e NEU- TRO) deve ser utilizada apenas para alimentação do transformador. O TERRA (fio verde com lista amarela) deve ser utilizado apenas para aterramento do chassis dos equipamentos e não deve ser utilizado como NEU- TRO. erificar qual terminal da tomada de três pinos é a FASE e qual terminal é o NEUTRO. A partir de agora todo cuidado é pouco. ATENÇÃO: 1. Para evitar choque elétrico e/ou danos ao instrumento, NÃO conectar o terminal de entrada COMMON do multímetro em potencial maior que 500, DC ou RMS, em relação ao TERRA. 2. Todo aparelho e as pontas de prova devem estar em perfeitas condições de uso. 3. Ligar na tomada por ultimo. 4. Desligar da tomada primeiro. 1) erifique se a ponta de prova preta está conectada na entrada COMMON do multímetro e a ponta de prova vermelha está conectada na entrada (Ω). 2) Ajuste o multímetro para AC:200 ou AUTO 3) Preste muita atenção no terminal do multímetro (/Ω) e na escala utilizada (AC:200) 4) Conectar a outra extremidade da ponta de prova preta ao TERRA da tomada. 5) Conectar a extremidade da ponta de prova vermelha em um dos pinos chatos da tomada. Se o oltímetro indicar aproximadamente 0 este pino é o NEUTRO (N). 6) Ao medir o outro pino chato, o multímetro indicará 127 com tolerância de ±10%. Este pino é a FASE (F), ou o Hot Wire ou o Terminal ivo. Figura 1 Tomada (polarização provável) Qualquer anormalidade, ou seja, tensão menor que 115 ou maior que 140, comunique o instrutor imediatamente. (NEUTRO) = (FASE) = 2- TRANSFORMADOR rms rms O transformador é necessário para duas funções: a) Adequar a tensão disponível (127ac) às necessidades da tensão retificada (DC: 6, 12, 15, 24) b) Para proporcionar uma isolação galvânica entre a rede de alimentação e a carga. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 9

8 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 O transformador utilizado nesta aula possui dois enrolamentos primários para possibilitar a ligação em 127 e 220. Para ligação em 220 os dois enrolamentos são conectados em série como mostra a Figura 2(a) enquanto que para ligação em 110 ou 127 os dois enrolamentos são conectados em paralelo como mostra a Figura 2(b). Desta forma circulará a mesma corrente em cada enrolamento primário mantendo a mesma potência para as duas ligações (Obs. A potência do transformador depende a área da seção transversal do núcleo de ferro). Poderíamos conectar os dois enrolamentos primário em série e ligar em 110 ou 220 como mostra a Figura2(c). Como existe limitação de corrente, a potência ficaria limitada pela metade em 110. O contrário é possível de ser feito. Aplicar 127 no enrolamento de 220 não traz grandes problemas. A tensão de saída será menor e não poderemos utilizar toda potência para o qual o transformador foi projetado. ATENÇÃO: Aplicar tensão acima do especificado pelo fabricante certamente danificará qualquer e- quipamento. Porém alguns equipamentos podem ser danificados também com a subtensão, tensão menor que o limite mínimo especificado. OBS.: O sinal de um ponto (ou um sinal +) indica a polaridade do enrolamento do transformador. Se tudo estiver correto, a tensão do secundário 21 terá a mesma fase que a tensão do primário 1. ISOLAÇÃO GALÂNICA Ao ligar o GND do osciloscópio (aterrado através do terceiro pino do cabo de alimentação) em qualquer parte do circuito, você estará aterrando este ponto do circuito através do osciloscópio. Se outro ponto do circuito já estiver aterrado estaremos provocando um curto-circuito que certamente danificará o circuito e provavelmente o osciloscópio. Para evitar este risco é comum utilizar uma prática não recomendada: isolar o terceiro pino. Nesta situação o chassis do osciloscópio ficará energizado colocando o operador em risco de choque elétrico. Para evitar este risco utilize o osciloscópio no modo diferencial. Ligar o primário do transformador na tomada de 127 conforme a Figura 3. Utilize cabos com pino banana conectando primeiro no transformador e por último na rede de alimentação. 1. Ligar na tomada por ultimo. 2. Desligar da tomada primeiro. Figura 2- Transformador ATENÇÃO: NUNCA aplicar tensão maior que o especificado em qualquer enrolamento do transformador. Se você ligar 220 no enrolamento de 110, o transformador entrará em saturação provocando grande consumo de corrente danificando-o irremediavelmente. Figura 3- Transformador com CT Medir a tensão eficaz no primário do transformador através de multímetro na escala AC200/AUTO. FN = FASE = rms 2 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

9 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 Medir a tensão eficaz no secundário do transformador, entre o tap central e terminal 1 e entre o tap central e o terminal 2. Para melhorar a precisão da leitura mude a escala para AC20. A polaridade do multímetro não altera o resultado, porém, é recomendável ligar o conector COMMON (ponta de prova preta) ao GND ou TERRA. 21 = 22 = 2=21+22= rms rms rms Portanto a relação de transformação deste transformador é n1=1/21 = n2=1/22 = Medir a tensão de pico no secundário do transformador através do osciloscópio. 1) Ligar o GND do osciloscópio ao CT do transformador. ATENÇÃO: fazendo isso você estará desfazendo a isolação galvânica do transformador. 2) Ligar CH1 (5/DI-DC-CAL) em 21. 3) Ligar CH2 (5/DI-DC-CAL) em 22. 4) ERTICAL MODE em BOTH ( DUAL), CHOP- PER (se possível) 5) HORIZONTAL: 2mSEC/DI, X1 6) TRIGGER: EXT-LINE, SLOPE+ 7) Posicionar o 0 no centro da tela. Mude a chave AC-GND-DC dos dois canais para GND e posicione os traços atuando nos botões ERTICAL POSITION. Em seguida volte estas chaves para posição DC. 8) Posicionar o traço horizontalmente atuando no HORIZONTAL POSITION e no TRIGGER LE- EL. Se necessário altere para SLOPE(-). É possível que a fase que alimenta o transformador seja diferente da fase que alimenta o osciloscópio. Observe que as duas tensões 21 e 22 possuem o mesmo valor eficaz, porém apresentam fase invertida (180 o ). O oscilograma apresentado na Figura 4 corresponde a um transformador de 24 com TAP central ou = ( ) 2=12 2=16,9 Figura 4 - Oscilograma 21 = 22 = Previsto Medido pico pico Os valores medidos deverão estar bem próximos dos valores previstos se a tensão da rede não a- presentar distorção. Provavelmente a tensão de pico medida será menor que o prevista devido a distorção da onda senoidal. 21( pico) = 2 21( rms) = 22( pico) = 2 22( rms) = ATENÇÃO: Para desligar o transformador, retire os pinos banana da tomada. ATENÇÃO: Para medir tensões maiores que 20p com osciloscópio, utilize ponta de prova atenuadora X10. Leia o procedimento de ajuste da ponta de prova atenuadora no manual de operação do osciloscópio. 3- RETIFICADOR DE ½ ONDA ATENÇÃO: Mantenha o transformador desligado toda vez que for montar ou modificar o circuito. Desligar o transformador da rede retirando os pinos banana da tomada. Montar o circuito (diodo e resistor) em um Proto Board. Espere a verificação do instrutor antes de ligar o circuito. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 3

10 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 Figura 5 - Retificador de 1/2 onda. Ligar o transformador ao retificador utilizando cabos com pino banana e garra jacaré. Ligar o transformador na tomada. Trig:LINE Medir o valor eficaz da tensão retificada, ac, através de multímetros True RMS (DMM1) e Average Sensing (DMM2) na escala AC-20. Observe que esta forma de onda não é mais uma senoidal pura. Portanto ela será medida corretamente através de um multímetro True RMS. A leitura indicada por uma interrogação é uma leitura não confiável. OBS.: A maioria dos multímetros utiliza acoplamento AC na escala AC, ou seja, a componente contínua é bloqueada. O valor eficaz total RMS (AC+DC), que é o valor utilizado para o cálculo da potência média dissipada em uma resistência, deve ser calculado da seguinte forma: 2 2 * RMS = dc + ac OP O( RMS ) = = 2 o DC AC RMS Previsto DMM 1 * DMM 2? * Osc Dig CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 6 - Oscilograma do retificador de 1/2 onda. Medir o valor de pico da tensão na carga, op, através do canal 2 do osciloscópio. CH2=5/DI-DC. Observe que é ligeiramente menor que a tensão de pico no secundário do transformador devido à queda de tensão no diodo (d). o(pico) = Medir o valor médio da tensão retificada, dc, através de multímetros Average Sensing (DMM2) e True RMS (DMM1) na escala DC- 20. Este valor deverá ser aproximadamente: dc op = o( Av) = = π = 2. op 21( rms) d Para medir o valor médio desta tensão retificada através do osciloscópio mude o acoplamento para AC e meça o deslocamento da forma de onda. Não esqueça de voltar o acoplamento de CH2 para DC. Desligue o transformador da rede Não desmonte este circuito. 4 - RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA FWCT Complete o circuito anterior adicionando o diodo D2 conforme o diagrama esquemático apresentado na Figura 7, retificador Full Wave Center Taped. Atenção: Preste muita atenção na polaridade do diodo. A inversão da polaridade deste segundo diodo provocará um curto-circuito. Espere a verificação do instrutor. 4 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

11 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 21 CH1 D1 CH2 o OP O( RMS ) = = CT 22 GND NÃO é conexão Rc 1k Observe que o fator de ondulação ou ripple é menor na retificação de onda completa que na retificação de meia onda. ripple = AC( rms) DC o op opp ripple ½ onda antigo conexão novo FWCT passagem Figura 7 - Retificador de onda completa. Trig:LINE 5 - FILTRO CAPACITIO Para obtermos uma tensão mais contínua, com baixa ondulação (baixo ripple), devemos filtrar a onda retificada. A solução mais empregada é a utilização de um capacitor na saída do retificador como mostra a Figura 9. Complete o circuito com um capacitor eletrolítico de 10uF/25. ATENÇÃO: O capacitor eletrolítico é polarizado. Preste muita atenção na polaridade do capacitor. A inversão de polaridade ou aplicação de corrente alternada neste tipo de capacitor provocará a explosão do mesmo. CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 8 - Oscilograma do retificador de onda completa. Medir o valor médio e eficaz da tensão retificada através de multímetro na escala DC 20 e AC20. o DC AC RMS Previsto DMM 1 DMM 2?? Osc Dig Figura 9- Filtro capacitivo OBS.: No oscilograma apresentado na Figura 10 a forma de onda da corrente no diodo D1 foi adicionada artificialmente. O( Av) 2. OP = = π Em um circuito RC a ondulação, ripple, depende da relação entre constante de tempo τ=rc e o tempo de descarga do capacitor t. Quanto menor a relação t /τ menor será a ondulação. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 5

12 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 v ( t) = sen( ω t) i t / τ o ripple pp = op (1 e ) τ = RC 1 / f 1/ 2f m t = tempo de descarga t τ para meia para onda do onda completa o ripple pp o dc 0,01 1 % 0,02 2 % 0,05 5 % 0,1 9 % 0,2 18 % capacitor Trig:LINE CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 10- Oscilograma de um retificador de onda completa com filtro capacitivo de 10µF. Troque o capacitor eletrolítico para 100uF/25. A ondulação ficou bem menor. Trig:LINE Considerando corrente constante I o ripple pp = t I = C odc R Medir a tensão de saída utilizando multímetros. o DC AC RMS Previsto DMM 1 DMM 2? Osc Dig Medir a tensão de ondulação pico a pico da tensão de saída utilizando osciloscópio. C=10uF op opp ripple Previsto Medido Para onda triangular a tensão eficaz é pp rms = = 2 3 Quanto menor for a taxa de ondulação ou fator de ondulação, ripple, melhor será a fonte cc. Uma ondulação de 1pp em uma fonte de 5 é muito alta, porém, esta mesma ondulação em uma fonte de 100 é considerada muito baixa. CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 11- Oscilograma de um retificador de onda completa com filtro capacitivo de 100µF. Para observar esta ondulação com mais precisão, mude a escala de CH2 para 0,5/DI~ (acoplamento AC). Seria impossível posicionar este traço na tela do osciloscópio na escala 0,5/DI-DC devido à presença de uma componente contínua muito alta para esta escala. OBS.: Esta é uma situação onde utilizamos o acoplamento AC. Mude o acoplamento de CH2 para AC e posicione o traço no centro da tela. Observe que o diodo conduz uma corrente com amplitude muito maior, porém por menos tempo. A análise das correntes será o assunto do próximo laboratório. 6 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

13 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 Trig:LINE CH1:5/DI CH2:0,5 ~ /DI H:2mSEC/DI Figura 12- Oscilograma de um retificador de onda completa com filtro capacitivo o DC AC RMS Previsto DMM 1 DMM 2? Osc Dig C=100uF op opp ripple Previsto Medido 6 - TENSÃO NO DIODO Medição diferencial Para medir uma tensão entre dois pontos não aterrados devemos operar o osciloscópio no modo DIFERENCIAL. No osciloscópio digital utilize a função MATH: CH1 CH2 ADD:CH1- CH2 Trig:LINE CH1:5/DI CH2:5/DI(IN) H:5mSEC/DI Figura 13- Tensão no diodo ( Medição diferencial.) Observe que a parte positiva, acima da referência 0, de apenas 0.6 a 0.8, correspondente à queda de tensão direta do diodo, quando o diodo está conduzindo. A parte negativa é a tensão aplicada reversamente no diodo quando o diodo está bloqueado Neste modo de medição no osciloscópio analógico podemos observar apenas uma forma de onda de cada vez. No osciloscópio digital podemos observar as três formas de onda 21, o e d1. IM- PORTANTE: mantenha os dois canais na mesma escala 5/DI, DC Para podermos verificar a relação de fase de cada uma delas, ou seja, a posição horizontal de uma onda em relação à outra, devemos utilizar o sincronismo externo (TRIGGER EXT LINE). PI 2 2(RMS) = PI ou RR = Procedimento Inseguro pico Para medir a tensão no diodo D1 ou D2, deveríamos mudar o GND do osciloscópio para o ponto o, uma condição perigosa e nem sempre possível. Devemos isolar o GND do osciloscópio em relação ao TERRA, para conectar o GND do osciloscópio no pólo positivo do retificador. Nesta condição, a carcaça, toda parte metálica do osciloscópio, ficará energizada com o potencial do pólo positivo do retificador, colocando o operador em risco de choque elétrico. Se o pólo negativo do retificador estiver aterrado e se o GND do osciloscópio estiver aterrado, via terceiro pino do cabo de força, provocaremos um curto-circuito na saída do retificador via GND do osciloscópio. 7 - RETIFICADOR EM PONTE FULL BRIDGE Em relação ao retificador de onda completa com transformador com tap central FWCT, o retificador em ponte utiliza mais semicondutor porém economiza cobre e ferro no transformador. Observe que estamos utilizando apenas a metade do enrolamento do secundário do transformador em relação ao retificador de onda completa com tap central. A queda de tensão em dois diodos diminui muito a eficiência deste retificador em ponte para retificadores de baixa tensão, abaixo de 5. Atenção: Uma vez que o GND do osciloscópio está no polo negativo da ponte retificadora e não no tap central do transformador, não é possível observar a tensão 21 simultaneamente com o. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 7

14 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 2 Se o GND do osciloscópio estiver conectado ao pólo negativo da ponte (o-), o canal CH1 estará observando a tensão no diodo D2 e não a tensão no secundário do transformador. 8 - RETIFICADOR PARA FONTE SIMÉTRICA Uma fonte de corrente contínua muito utilizada industrialmente é a fonte simétrica de ±15, ou seja, uma fonte de +15 e outra de -15 com um ponto em comum. Figura 14 - Retificador em ponte Trig:LINE Figura 16- retificador para fonte simétrica. O circuito funciona como dois retificadores de onda completa com tap central, uma com tensão retificada positiva e outra negativa. O circuito retificador é semelhante ao circuito da ponte, o que nos leva a cometer alguns equívocos durante a análise. Observe atentamente a ligação do secundário do transformador com tap central. CH1:5/DI CH2:5/D I H:2mSEC/DI Figura 15 - Oscilograma do retificador em ponte. o(pico) = = 2. 2 = OP 21( rms) d O( Av) 2OP = π DC AC RMS Previsto DMM 1? DMM 2 Osc Dig Itajubá, MG, janeiro de UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

15 ELT 313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 3: RETIFICADORES II (ANÁLISE DAS CORRENTES) OBJETIO O objetivo desta aula é observar e medir os valores de corrente nos circuitos retificadores. LISTA DE MATERIAL Equipamentos: Multímetro digital True RMS Osciloscópio de 2 canais Portanto, fora do alcance do osciloscópio com ponta de prova X1. Alimentando o transformador com 127 no Tap de 220, teremos no secundário = = 16 =9, (N) rms = 2. = 2. 9,236 =13,06 2(pico) 2(rms) pico Componentes: Transformador CT (9+9) Diodo retificador 1N4001/1N4007 (4) Resistor 5%, 1/3W 1 Ω (4) 300 Ω(1) 1 kω (1) Capacitor eletrolítico > µf(1) 1- ANÁLISE DAS CORRENTES Para poder observar a forma de onda de corrente é necessário adicionar um resistor (shunt) em série com os diodos e com o capacitor e modificar a instalação do GND do osciloscópio. A resistência deste shunt deve ser muito menor que a resistência da carga. Neste ensaio utilizaremos resistores de 1Ω. Desta forma poderemos medir o valor médio e eficaz de tensão neste resistor e calcular o valor da corrente. Sempre que possível evite utilizar a escala amperimétrica do multímetro. Medir a tensão nos resistores e calcular o valor da corrente. Tensão de pico (p) e pico a pico (pp) são medidos através do osciloscópio. alor médio (Ave), dc, e o valor eficaz da componente alternada (rms-ac), ac, são medidos com o multímetro true RMS - ac coupled. O valor eficaz total, ac+dc, é calculado pela seguinte equação 2 2 RMS = dc + ac Transformador ( )/(16+16) Uma vez que a tensão de alimentação do laboratório é 127, alimentando o transformador no Tap de 110, teremos no secundário uma tensão maior = 2(N) = 16 =18,47 rms (N)=Nominal = 2. = 2. 18,47 =26,12 2(pico) 2(rms) pico C=470µF / 40 Figura 1- Retificador de onda completa com TAP central (FWCT) e filtro capacitivo. Desenhar as formas de onda - sem e com o capacitor de 470uF. 21, 22, O I D1, I D2, I O, I C, I L Calcular a relação entre os valores médio e eficaz (ac+dc) de corrente no diodo e o valor médio da corrente na carga I DC. I D(Av) /I DC I 2(RMS) /I DC I D(RMS) /I DC Algumas propriedades podem ser observadas: I = I + I O(Av) D1(Av) D 2(Av) 2 2 O(RMS) = D1(RMS) + D 2(RMS) I I I ** I O(Av) C(Av) = I I = 0 R (Av) L ** i D1 (t) e i D2 (t) são funções ortogonais. UNIFEI/IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller

16 ELT 313 Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 3 TABELA 1 C 21 Sem capacitor teorico medido 470uF RMS Pico A figura 2 mostra as formas de onda de um retificador FWCT de 20/1A/20W com e sem o capacitor de filtro. 22=11=14.14 RMS ou 20 PICO R L = 20Ω C= 1000 uf 22 O RMS P P Ave RMS Sem o filtro capacitivo a corrente de pico é aproximadamente 1 A e a condução do diodo de 180º. Com filtro capacitivo o pico de corrente sobe para 5 A e o ângulo de condução do diodo diminui para a- proximadamente 60 o. A área sob a curva desta corrente é muito maior que a anterior sem carga. ac - rms o ripple PP ac - rms Freq o Hz PI (D1) P ma P I D1 = I D2 ma Ave ma RMS ma ac - rms ma P I O ma Ave ma RMS ma ac - rms ma PP I C ma Ave ma RMS ma ac - rms ma P I L ma Ave ma RMS Figura 2- Oscilograma do retificador de onda completa FWCT. ma ac - rms I D(RMS) / I DC I D(Ave) / I DC UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 2

17 ELT 313 Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o RETIFICADOR PARA FONTE SIMÉTRICA Uma fonte de corrente contínua muito utilizada industrialmente é a fonte simétrica de ±15, ou seja, uma fonte de +15 e outra de -15 com um ponto em comum. O circuito funciona como dois retificadores de onda completa com tap central, uma com tensão retificada positiva e outra negativa. O circuito retificador é semelhante ao circuito da ponte, o que nos leva a cometer alguns equívocos durante a análise. Observe atentamente a ligação do secundário do transformador com tap central. +cc 21 D1 D3 127 CT 22 D2 D4 Figura 3- retificador para fonte simétrica. 3 - FONTE REGULADA -cc Um retificador (meia onda ou onda completa em ponte ou com tap central) e um filtro (capacitivo ou LC) apresentam baixa regulação (varia a tensão em função da carga e da tensão ac de alimentação) e alta ondulação (ripple). Por este motivo é necessária a utilização de reguladores em muitas aplicações. A Figura 4 presenta um esquema típico de uma fonte dc estabilizada constituído de transformador, retificador, filtro e regulador. Para um funcionamento correto do regulador é necessário que a tensão de entrada do regulador (in=cc) seja maior que a tensão de saída (out) acrescido de seu drop out. in > out + drop Figura 4- Fonte regulada Se a tensão in for menor (out+drop) provocará ondulação na tensão de saída. Figura 5 - in < (out + drop) Projeto cc < DROP out Este roteiro de projeto de fonte de alimentação em corrente contínua é um resumo do artigo Power Supply Design escrito por Ed Polen e publicado pela National Semiconductor no manual IC oltage Regulator HANDBOOK. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 3

18 ELT 313 Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 3 Transformador A tensão eficaz no secundário do transformador é calculado pela seguinte fórmula: ( out + rect + drop + ripple) ac = OBS.: não vale para filtro LC. Line nom x Linelow drop (Drop Out) - Tensão mínima necessária para funcionamento do regulador. alor típico 3 - depende do regulador utilizado. rect= Queda de tensão no diodo. Para corrente acima de 1A de pico considere 1,25 para retificador em meia onda e onda completa com tap central e 2.5 para retificador em ponte. ripple= Ondulação de tensão depende do capacitor do filtro de entrada e da carga. Estipule um valor entre 20% e 30% de cc pico. 0.92= Eficiência do retificador leva em conta queda de tensão no transformador. Line nominal / Line low= Flutuação da tensão de alimentação ac (10% típico). O valor eficaz da corrente no secundário do transformador depende da corrente de saída (Idc) e do filtro utilizado. Observe no oscilograma da Figura 4 a forma de onda da corrente que circula no secundário do transformador. Iac(rms)= alor eficaz da corrente no secundário do transformador Idc= Corrente contínua Capacitor Idc C =. t i Diodo i = Tensão de ondulação pico a pico (20 a 30% de dc) -3 t=6 10 para ripple de t=14 10 para ripple de 60 Hz Hz 2 Pd = Rt. I RMS + t. I Av [ W ] (5) Regulador Ajustável de Três Terminais CT 22 D1 D2 i + Ci 317 2= o=1, Co Rc 12? 20W Retificador FILTRO Iac(RMS)/Idc Fonte Simétrica Center Tap LC 0.7 C 1.2 1N4007 cc+ D1 D Ponte LC 1.0 C 1.8 Regulador FIXO AJUSTAEL POSITIO (+) 78XX 340-XX 317 NEGATIO(-) 79XX 320-XX 337 FIXO = 5; 12; 1,5A, 20W AJUSTÁEL = 1,2 a 1,5A, 20W A CT 18 2A 22 D3 cc- D4 100nF 100nF uF uF P = ( in out). Idc [ W ] REG (3) Itajubá, MG, janeiro de 2017 dezembro de 2014 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 4

19 ELT 313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 4: CIRCUITOS COM DIODOS RETIFICADORES E DIODO ZENER Objetivos O objetivo desta aula é verificar experimentalmente o funcionamento de alguns circuitos com diodo retificador e diodo zener. Limitadores (clippers) Grampeadores (clampers) Dobrador e multiplicador de tensão Regulador zener Lista de material Osciloscópio de dois canais Multímetro digital Fonte +15DC ajustável Gerador de funções Diodo retificador 1N4148 (4) Diodo Zener 1N751A/51/400mW (2) Capacitores 100nF/250~ (3) Resistores 1/3W, 5% 200(1) 1k (2) 2k(2) 10k (1) 200k (1) 1M (1) 1. RETORNO DC (OPCIONAL) Uma carga desbalanceada, como é o caso de alguns circuitos com diodos, pode provocar desequilíbrios em geradores de sinais que tenham acoplamento capacitivo na saída. Carga desbalanceada é qualquer carga que ofereça resistência diferente para o semi-ciclo positivo e para o semi-ciclo negativo. A Figura 1a mostra um simples retificador de meia onda alimentado por um gerador de onda senoidal. O resultado normal é uma onda retificada em meia onda. Se o gerador de funções tiver acoplamento capacitivo como mostra a Figura 1b, teremos uma grande surpresa, o sinal de saída o será quase zero. Isto se deve ao carregamento do capacitor Ci devido à carga desbalanceada. Para evitar os efeitos deste grampeamento, devemos instalar uma resistência Ri para permitir o retorno dc e assim descarregar o capacitor. Esta resistência deve ser menor que a resistência da carga, Ri<10% de R L. ATENÇÃO: Mesmo que o gerador de funções seja acoplado diretamente, recomendamos a instalação deste resistor para, pelo menos, servir como suporte para garra jacaré das pontas de prova. Figura 1- Retorno DC. 2. GRAMPEADOR Figura 2- Grampeador. CH1:i, CH2:o Observe i(t) através do CH1 e o(t) através de CH2 do osciloscópio. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 1

20 ELT Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 4 Ajuste o sinal de i(t) em SENO, 1kHz, 10 pp, OffSet=0 Medir a tensão média utilizando multímetro e a tensão de pico através do osciloscópio. Ajuste o OffSet de i(t) e verifique que a componente contínua em i(t) NÃO altera o resultado em o(t). Esta componente contínua é absorvida pelo capacitor C1. Tabela 1 i p-p i DC O max O Ave C1 Ave Atenção: Não desmonte este circuito. Adicione o segundo diodo conforme o diagrama esquemático do dobrador de tensão. 3. DOBRADOR DE TENSÃO DE 1/2 ONDA Tabela 2 i p-p i DC O max O Ave C1 Ave OPP OPP (T) 4. DOBRADOR DE TENSÃO DE ONDA COMPLETA Neste circuito o capacitor C1 carrega no semiciclo positivo de i enquanto que C2 carrega no semi-ciclo negativo de i. ATENÇÂO: ISOLAR o GND do gerador de funções para executar a próxima etapa. Provavelmente o GND do osciloscópio estará ligado ao GND do gerador de funções através do cabo de força de três pinos. Atenção: Neste circuito o GND do gerador de funções não é o mesmo do GND da carga R L, portanto não será possível observar simultaneamente os dois sinais i(t) e o(t). Figura 3- Dobrador de tensão. *Calcular o valor teórico da tensão de ondulação. er Anexo 1 no final deste roteiro. Frequência da ondulação: Hz Observe que a componente contínua em i(t) NÃO altera o resultado em o(t). Esta componente contínua é absorvida pelo capacitor C1. Figura 4- Dobrador de tensão de onda completa. 2 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

21 ELT Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 4 *Calcular o valor teórico da tensão de ondulação. er Anexo 1 no final deste roteiro. 6. MULTIPLICADOR DE TENSÃO (OPCIONAL) Tabela 3 i p-p i dc o max o av C1 av C2 av o pp opp (T) Frequência i o C1 C2 Hz Figura 6- Multiplicador de tensão Para multiplicadores de ordem par o GND do gerador de funções (garra jacaré preta) é conectado no ponto B. Para multiplicadores de ordem impar o GND do gerador de funções é conectado no ponto A. Instalar uma carga de 1MΩ entre os pontos B e F. 5 - TRIPLICADOR DE TENSÃO (1/2 ONDA) ATENÇÂO: ISOLAR o GND do gerador de funções Neste circuito os capacitores C1 e C2 carregam no semi-ciclo negativo de i enquanto que o capacitor C3 carrega no semi-ciclo positivo de i. Medir a tensão nos capacitores e completar a Tabela 4. Medir a freqüência de ondulação. erificar se a componente contínua em i altera o resultado em o Freq da ondulação= Hz Sem considerar a queda de tensão nos diodos e sem carga, teremos as seguintes tensões: Tabela 4 - B-D B-F A-C A-E C1 C2 C3 C4 i(t)=m. sem(ωt) 2m 4m 1m 3m 1m 2m 2m 2m Figura 5- Triplicador de tensão UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 3

22 ELT Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 4 7. LIMITADORES (OPCIONAL) 8. DIODO ZENER CURA CARACTERÍSTICA Figura 8 - Regulador zener Tabela 6 Iz = Ii = (i - z) / Rs i z Iz Pz r Z ma mw Ω ,1-0,2-0, Figura 7- Limitadores. Medir o valor de tensão dos limites superior e inferior através do osciloscópio. Limite superior Limite inferior circuito 1 2 Figura 9 Curva característica 4 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

23 ELT Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o RIPPLE O circuito apresentado na Figura 10 reduz a ondulação do sinal e é capaz de medir resistência dinâmica do diodo. Figura 10 Circuito com Gerador de Funções Ajuste a onda senoidal em 1 khz, 2 pp e Off Set em + 9. Observe que a tensão de saída é estável e praticamente sem ondulação (ripple). Para observar a ondulação da tensão de saída mude a escala de CH2 para 10m/DI acoplamento AC. i o i: SENO, 1kHz, 2pp, 9dc opp rz = ipp r + Rs r Z Z Rs = ( ipp opp) 1 Rs ( opp i pp) ipp (ac)= 2 i off set (dc)= 9 z ripple pp= m z (dc)= Iz (dc)= ma r Z = Ω Diminua o Off Set de i para 7. ipp (ac)= 2 i off set (dc)= 7 z ripple pp= m z (dc)= Iz (dc)= ma r Z = Ω 0 CH1:2/DI CH2:2/DI H:0.5mSEC/DI i: SENO, 1kHz, 2pp, 9dc i o 0 CH1:2/DI CH2:~10m/DI H:0.5mSEC/DI Figura 11 Ripple para ipp=2 e idc=+9 Figura 12 Ripple para ipp=2v e idc=+7 Observe que a resistência dinâmica do diodo zener diminui com o aumento da corrente (dc) do diodo. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 5

24 ELT Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 4 ANEXO 1 - ONDULAÇÃO EM CIRCUITO RC Em um circuito RC a ondulação, ripple, depende da relação entre constante de tempo τ=rc e o tempo de descarga do capacitor t. Quanto menor a relação t /τ menor será a ondulação. RS=200Ω v ( t) = sen( ωt) i m t / τ o ripple pp = op (1 e ) τ = RC t = tempo de descarga do capacitor 1 / f para meia onda 1 / 2f para onda completa Figura 13 Ripple para ipp=2, idc= EFEITO DA CARGA t τ o ripple pp o dc 0,01 1 % 0,02 2 % 0,05 5 % 0,1 9 % 0,2 18 % Considerando corrente constante I o ripple pp = t I = C odc R Figura 14 Regulador zener com carga. Medir i e z com carga e sem carga Medir Iz com amperímetro. Medir Rs e Ro =z e calcular Ii e Io Ii = Rs /Rs=(i - z) / Rs Io = z / Ro Iz = Ii - Io Nos circuitos onde existem dois ou mais capacitores em série, utilize o valor da capacitância equivalente série = + + C C C C EQ i z Ii Io Iz ma ma ma Itajubá, MG, janeiro de 2017 dezembro de UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr

25 ELT 313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 5: TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO BJT TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO BJT Existem dois tipos de transistores bipolares de junção (BJT): NPN e PNP. Estes transistores possuem três terminais, Emissor (E), Base (B) e Coletor (C). Os dois terminais principais, terminais de potência, são o emissor e o coletor. O terceiro terminal, a base, de baixa potência, é o terminal de controle. A Figura 1 apresenta o desenho da estrutura, o símbolo e o modelo dos transistores bipolares. Figura 1- Transistores NPN e PNP A seta, que representa o emissor no símbolo do transistor, indica o sentido da corrente convencional (positiva) para as duas correntes, a principal que circula entre o coletor e o emissor, e a de controle, que circula entre a base e o emissor. Na região de operação ativa a junção do emissor opera diretamente polarizada e apresenta, nestas condições, uma queda de tensão (barreira de potencial) entre 0,5 e 0,8. O emissor segue a base enquanto que a junção do coletor opera reversamente polarizada Quando esta junção está polarizada reversamente o transistor não conduz e dizemos que o transistor está cortado ou na região de corte. O transistor opera como chave aberta. A máxima tensão reversa que esta junção suporta é de aproximadamente 7. A junção do coletor opera normalmente na polarização reversa e suporta a tensão especificada do transistor (40, 100, 400). Nesta junção é dissipada quase que a totalidade da potência dissipada internamente no transistor. A principal característica do transistor é a capacidade de controlar grandes correntes (entre coletor e emissor) através pequenas correntes (entre base e emissor). Este fator de amplificação varia entre 20 e TESTE DE TRANSISTOR BIPOLAR Podemos testar a integridade das duas junções do transistor da mesma forma como testamos um diodo. Na escala apropriada para teste de diodos, polarizando diretamente a junção, o multímetro indicará um valor entre 0,5 e 0,8. Polarizando reversamente a junção o multímetro indicará aberto ou Over Load. Com alguma prática poderemos identificar qual das duas junções é o emissor, apenas pela pequena e sutil diferença existente entre as duas leituras na polarização direta. Outros testes mais confiáveis serão apresentados futuramente. Para confirmar, devemos aplicar o mesmo teste entre o coletor e o emissor. Deverá indicar ABER- TO (Over Load) nos dois sentidos. Se o multímetro tiver a função h FE podemos verificar o ganho de corrente que este transistor proporciona. Preste muita atenção na polaridade do transistor (se NPN ou PNP) e nos terminais (E, B e C). Para polarizar a junção diretamente, aplicamos tensão positiva (ponta de prova vermelha /Ω) na camada P e tensão negativa (ponta de prova preta - COM) na camada N, ou seja, positivo na base do transistor NPN e negativo na base do transistor PNP. **Curiosidade: Aparentemente a junção do emissor é igual à junção do coletor. Poderíamos pensar erroneamente em inverter o coletor em relação ao emissor. Fazendo isso no teste de h FE percebemos a diferença, h FE muito menor. Além de suportar tensão menor, o transistor não funcionará adequadamente. Dispositivos semicondutores de silício de três terminais, como os transistores bipolares npn e pnp, são designados por 2NXXX. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 1

26 ELT 313 Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 5 Emissor N P Base N Coletor 2N3904 (NPN) direto reverso Emissor emissor B-E coletor B-C C-E h FE ** P N Base P Coletor 2N3906 (PNP) direto reverso emissor B-E coletor B-C C-E h FE ** 2 - MODO DE OPERAÇÃO CONTÍNUO (CORTE E SATURAÇÃO) Figura 2- Amplificador transistorizado. O circuito apresentado na Figura 2 é utilizado para controlar a potência na carga constituída pelo resistor Rc e pelo diodo emissor de luz LED. O LED foi utilizado para podermos visualizar o controle da potência. A energia (ou potência) fornecida pela fonte de tensão contínua cc é controlada pelo transistor obedecendo ao sinal fornecido pelo gerador de funções i. Por exemplo, no ponto de operação CE =6,5 e I C =6,5mA, o gerador de sinais i gastará 0,218 mw para controlar 55 mw na carga. Este ganho de potência G=Po/Pi é a grande diferença entre um amplificador e um simples transformador, onde não e- xiste ganho de potência. G=Po/Pi= 55mW/218µW= 252 erificaremos ainda que quase toda potência envolvida neste sistema é fornecida pela fonte de alimentação cc, Pcc=97 mw. Uma parte da potência é fornecida à carga, Po=55 mw, e a outra parte é dissipada no transistor e desperdiçada na forma de calor, Pd=42 mw. Desta forma é definido outro parâmetro importante num amplificador, eficiência ou rendimento. η Po/Pcc=55mW/97mW=0.56 ou 56%. Montar o circuito apresentado na Figura 2 em um Proto Board. Procure manter a disposição dos componentes conforme o diagrama esquemático. Utilize um dos barramentos (uma fileira da régua estreita do protoboard na parte de baixo do circuito) como linha de terra e outro barramento, na parte de cima do circuito, como +cc. O anodo do LED é facilmente identificável (terminal maior / placa interna menor). Se tiver dúvida utilize o multímetro para testar o LED. Durante a polarização direta (+ no anodo) o LED acenderá e a queda de tensão será aproximadamente 2 (3 nos LED s de alto brilho). Utilize o Gerador de Funções como uma segunda Fonte de Tensão Contínua Ajustável. Ajuste o gerador de funções GF para gerar onda quadrada em 1kHz, OFF SET ajustável (puxar o botão) e amplitude ZERO (ou quase). Utilize o osciloscópio como 2 voltímetros. Ligar o osciloscópio conforme indicado na Figura 2. CH1: 5/DI, DC, 0 no centro CH2: 5/DI, DC, 0 abaixo HOR: 0.2ms/DI GND: Aterrado Ligar a fonte cc (pré-ajustado em 15). Ajustar o OFF SET do gerador de funções entre -5 e +10. Observe que a luz emitida pelo LED aumenta quando aumentamos i. Devido à queda de tensão na carga, em particular no resistor Rc, a tensão no coletor do transistor 2 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr