LEE 2006/07. Guia de Laboratório. Trabalho 3. Circuitos Dinâmicos. Resposta no Tempo

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Gabriel Henrique Cavalheiro Cordeiro
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1 Análise de Circuitos LEE 2006/07 Guia de Laboratório Trabalho 3 Circuitos Dinâmicos Resposta no Tempo INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores Paulo Flores

2 1 Objectivos Este trabalho de laboratório tem os seguintes objectivos: 1. familiarização com o equipamento de medida disponível e com as bases de experimentação laboratorial; 2. realização de montagens simples com díodos e condensadores e análise da sua resposta no tempo 3. introdução ao simulador eléctrico pspice (análise no tempo). 2 Sumário Este trabalho foi dimensionado de modo a ser realizado numa sessão de laboratório de 2 horas, desde que previamente tenham sido resolvidas as questões teóricas e realizadas as simulações. O plano de trabalho consta das seguintes partes: 1. montagem rectificador de meia-onda 2. filtro com circuito RC de 1 a ordem Os resultados devem ser apresentados nas folhas em anexo, previstas para esse efeito, juntamente com os resultados das simulações realizadas. 3 Equipamento para Ensaio Laboratorial 1. Base de experimentação DL 3155M12, ou placa breadboard, e respectivas Fontes de Alimentação; 2. Voltímetro Digital DC e Gerador de Sinais; 3. Osciloscópio de duplo traço; 4. Cabos de ligação para a base de experimentação e para os aparelhos laboratoriais. A montagem dos circuitos em ensaio é feita sobre a base de experimentação através da correcta interligação do componentes previamente montados na placa de circuito impresso. Ou, alternativamente, montando e interligando os respectivos componentes na placa breadboard. A alimentação dos circuitos em ensaio é feita directamente através da base de experimentação que fornece tensões DC reguláveis de 0V até +15V e 15V, e fixa de +5V e 5V. Os componentes a utilizar são os seguiuntes: 1 33kΩ 1 10kΩ 1 3.3kΩ 1 0.1µF 1 1N4148 1

2 Sumário Este trabalho foi dimensionado de modo a ser realizado numa sessão de laboratório de 2 horas, desde que previamente tenham sido resolvidas as questões teóricas e realizadas as simulações.

3 4 Plano de Trabalho 4.1 Montagem Rectificadora de Meia-Onda Considere o circuito rectificador representado na Figura 1 utilizando os seguintes valores para os componentes: R L = 33kΩ, C L = 0.1µF e D = 1N4148. D v i R L C L v o Figura 1: Rectificador de meia-onda. Para a simulação do circuito da figura 1 use o programa pspice. Para o efeito crie um ficheiro com a extensão.cir com a descrição do circuito usando o seguinte modelo para o díodo D1N4148:. model D1N4148 D ( + Is = 5.84 n + N = Rs = Ikf = m + Xti = 3 + Eg = Cjo =.95 p + M =.55 + Vj =.75 + Fc =.5 + Isr = n + Nr = Bv = Ibv = 100 u + Tt = n) Realize a simulações do circuito e obtenha a evolução no tempo dos sinais de entrada e saída nas situações que irá que irá realizar experimentalmente no laboratório. Anexe os resultados obtidos ao relatório. 2

cir com a descrição do circuito usando o seguinte modelo para o díodo D1N4148:. model D1N4148 D ( + Is = 5.84 n + N = 1.94 + Rs =.7017 + Ikf = 44.17 m + Xti = 3 + Eg = 1.11 + Cjo =.95 p + M =.

4 Execute de seguida os seguintes passos do procedimento experimental, registando e comentando justificadamente todos os resultados obtidos no Anexo de Apresentação de resultados: 1. Monte o circuito da figura 1 sem o condensador C L. Aplique em v i um sinal sinusoidal com 1V de amplitude (2V pp ) e com frequência de 1kHz. Observe e registe os sinais de entrada e de saída simultaneamente no osciloscópio (entrada no Canal 1 e saída no Canal 2). A escala de cada canal deve ser regulada por forma a permitir a melhor observação possível do sinal em questão. Explique o funcionamento do circuito com base nos sinais que observou. Compare com os resultados obtidos na simulação. 2. Altere agora a amplitude do sinal de entrada para 12V pp. Obreserve e registe os sinais de entrada e saída comentando as diferenças em relação à alínea anterior. Compare com os resultados obtidos na simulação. 3. Ligue agora o condensador C L em paralelo com a resistência R L. Observe e registe novamente as ondas de entrada e saída. Comente e justifique as alterações observadas explicando sucintamente o funcionamento do circuito e a utilidade do condensador. Compare com os resultados obtidos na simulação. 4. Altere a frequência do sinal de entrada para 50Hz. Observe e comente a alteração no sinal de saída. Compare com os resultados obtidos na simulação. 5. Altere agora a resistência de carga colocando uma resistência R 1 = 10KΩ em paralelo com R L. Observe, registe e justifique a alteração no sinal de saída. Compare com os resultados obtidos na simulação. 3

Observe e registe os sinais de entrada e de saída simultaneamente no osciloscópio (entrada no Canal 1 e saída no Canal 2).

5 4.2 Circuito RC de 1 o Ordem Monte o circuito representado na Figura 2 fazendo R = 3.3kΩ e C = 0.1µF. R v i C v c Figura 2: Circuito RC passa-baixo de 1 o ordem. Realize a simulações do circuito e obtenha a evolução no tempo dos sinais de entrada e saída nas situações que irá que irá realizar experimentalmente no laboratório. Anexe os resultados obtidos ao relatório. Note que para realizar uma onda quadrada no spice deve utilizar uma excitação do tipo PULSE na fonte de entrada: Vi 1 0 PULSE( ms 0.1ns 0.1ns 2ms ms) A forma genérica da excitação pulse para a geração de impulsos periódicos é: PULSE(V 1 V 2 t d t r t f p w T ) onde (ver figura 3 para uma descrição visual dos parâmetros): V 1 = patamar inferior do pulso V 2 = patamar superior do pulso t d = intervalo de tempo antes do início do pulso = tempo de subida t r t f = tempo de descida p w = duração do patamar superior do pulso T = período dos impulsos V i (t) V 2 T T V 1 t d t r p w t f t Figura 3: Parâmetros da excitação pulse do programa spice. 4

Anexe os resultados obtidos ao relatório. Note que para realizar uma onda quadrada no spice deve utilizar uma excitação do tipo PULSE na fonte de entrada: Vi 1 0 PULSE(-0.5 0.5 2ms 0.1ns 0.1ns 2ms 4.

6 Execute os seguintes passos do procedimento experimental: 1. Aplique em v i uma onda quadrada de período T = 4ms ( f = 250Hz) com uma amplitude de 0.5V (1V pp ). Utilize o canal 1 do osciloscópio para visualizar a tensão de entrada V i e o canal 2 para visualizar a tensão de saída v c. Observe e registe v i e v c Comente os resultados obtidos face à constante de tempo do circuito e compare com os resultados obtidos na simulação. A partir da onda de saída determine experimentalmente a constante de tempo do circuito. 2. Diminua o período do sinal de entrada v i para T = 0.4ms ( f = 2.5kHz). Observe a tensão de saída e comente. 3. Diminua novamente o período do sinal de entrada para T = 40µs ( f = 25kHz). Observe a tensão de saída e comente. Compare com os resultados obtidos na simulação. 4. No caso da alínea anterior a onda de saída é, neste caso, triangular. Sendo a tensão de entrada uma onda quadrada pode-se dizer que a saída é proporcional ao integral da entrada. Identifique quais as condições para que se possa considerar que o circuito funciona como um integrador. Justifique. 5. Se na entrada, em vez de uma onda quadrada, tiver uma onda sinusoidal v i = sin(2π f t) qual seria a forma da tensão de saída? Confirme a sua resposta aplicando em v i uma tensão sinusoidal de amplitude 1V (2V pp ) e frequência f = 25kHz. Observe e registe as ondas de entrada e saída. Comente e compare com os resultados obtidos na simulação. 6. Este circuito de 1 a ordem pode ser visto como um filtro. Identifique experimentalmente o tipo de filtragem realizada pelo circuito. Justifique a sua escolha com base nos resultados obtidos. 5

Observe e registe v i e v c Comente os resultados obtidos face à constante de tempo do circuito e compare com os resultados obtidos na simulação.

7 TRABALHO N o 3 Circuitos Dinâmicos Resposta no Tempo Registo de Resultados Experimentais Grupo: N o : N o : N o : Nome: Nome: Nome: 4.1 Montagem Rectificadora de Meia-Onda 1. v i = 1sin(2π 10 3 t) [Volt] Registo de v i e v o Explicação do funcionamento do circuito: 6

Nome: 4.1 Montagem Rectificadora de Meia-Onda 1.

8 Comparação com o resultado de simulação: 2. v i = 12sin(2π 10 3 t) [Volt] Registo de v i e v o Comentário ao resultado (incluído a simulação): 7

9 3. v i = 12sin(2π 10 3 t) [Volt] com o condensador C L Registo de v i e v o Descrição e comentário das alterações observadas: 8

10 4. v i = 12sin(2π 50 t) [Volt] com o condensador C L Registo de v i e v o Descrição e comentário das alterações observadas: 9

11 5. v i = 12sin(2π 50 t) [Volt] com o condensador C L e R 1 em paralelo Registo de v i e v o Descrição e comentário das alterações observadas (incluído na simulação): Justificação da alteração do sinal de saída v o : 10

12 4.2 Circuito RC de 1 o Ordem 1. Onda quadrada de 0.5V de amplitude com offset de 0.5V e T = 4ms ( f = 250Hz). Registo de v i e v c Comentário ao resultado: Determinação experimental da constante de tempo: 11

13 2. Onda quadrada de 0.5V de amplitude com offset de 0.5V e T = 0.4ms ( f = 2.5kHz). Registo de v i e v c Descrição e comentário das alterações observadas (incluído na simulação): 12

14 3. Onda quadrada de 0.5V de amplitude com offset de 0.5V e T = 40µs ( f = 25kHz). Registo de v i e v c Descrição e comentário das alterações observadas (incluído na simulação): 4. Justifique as condições para o funcionamento do circuito como integrador. 13

15 5. v i = 1sin(2π f t) [Volt] Justifique a forma da tensão de saída esperada em v c. Qual relação com o tensão de entrada. Registo de v i e v c com v i = 1sin(2π t) [Volt] Comentário ao resultado (incluído a simulação): 14

16 6. Tipo de filtro e experiência realizada para sua identificação. Conclusões Gerais 15

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