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Escola Superior de Tecnologia Departamento de Engenharia Electrotécnica Electrónica I 1º Trabalho de Laboratório Características V-I do díodo de silício, do díodo Zener e do díodo emissor de luz - LED

1º Trabalho de Laboratório Características V-I do díodo de silício, do díodo zener e do díodo emissor de luz (LED) 1. Objectivos Pretende-se com este trabalho a iniciação em simulação de circuitos eléctricos em PSpice e a obtenção das características V-I do díodo de silício da série 1N4000, de um díodo zener de 4,7V e de um díodo emissor de luz. Na 1ª fase pretende-se a simulação em PSpice, fazendo a análise dc de um circuito com díodos e análises dc sweep com vista à obtenção das características V-I do díodo de silício 1N4002 e do díodo zener D1N750 (4,7V). Na 2ª fase, com a montagem em bancada, pretende-se a obtenção das características V-I do díodo 1N4002 e do díodo zener de 4,7V, e confrontação dos resultados obtidos com os do PSpice, e do díodo emissor de luz (LED). 2. Introdução - Simulação em PSpice O PSpice é um programa de computador para análise do comportamento de circuitos eléctricos e electrónicos, contendo uma variedade grande de componentes, em que se podem incluir não apenas dispositivos analógicos, como por exemplo resistências, condensadores, indutâncias, transformadores, díodos, transistores, amplificadores operacionais, etc., mas também dispositivos digitais, como sejam os circuitos TTL, CMOS, microprocessadores, etc.. Em conjunto com o módulo Schematics, o PSpice é utilizado no projecto, teste e optimização de circuitos electrónicos, sem necessidade da utilização de qualquer hardware, equipamentos de teste ou componentes. Utilizando modelos adequados para cada componente o PSpice é capaz de efectuar análises para determinar o ponto de funcionamento em repouso de cada dispositivo, de utilizar estes resultados para obter os respectivos modelos para pequenos sinais e, a partir deles, obter os ganhos de tensão e corrente, a resposta em frequência, etc. ou obter a resposta no tempo a certos estímulos como por exemplo a resposta a uma onda alternada sinusoidal, a um impulso rectangular, etc.. Pág. 2

2.1. Estudo de um circuito com díodos em dc análise Bias Point Detail a) Desenhe o circuito da figura 1.1 utilizando o Schematics do MicroSim (V1 a V3: componente VDC; D1 a D4: componente D1N4002: R1 a R5: componente R; terra: componente EGND). D1 V2 D4 A B C D V1 R2 1k R4 1k V3 R1 D2 R3 D3 R5 G 1k 1k 1k Figura 1.1 F E b) Após conclusão e gravação do trabalho proceda à simulação do circuito; por defeito o MicroSim procede de forma automática à simulação em dc, Bias Point Detail, sem necessidade de efectuar qualquer setup. c) Registe na tabela 1 em anexo, para cada um dos conjuntos de tensões de V 1, V 2 e V 3, as tensões nos pontos A a G, as tensões aos terminais dos díodos, as correntes nos díodos e o estado de condução, ON ou OFF, em que se encontram, utilizando para o efeito os botões V e I da barra de ferramentas. 2.2. Estudo da característica do díodo de silício 1N4002 análise DC Sweep a) Desenhe o circuito da figura 1.2 utilizando o Schematics do MicroSim (R1=1kΩ, D1=D1N4002). Coloque um marcador de corrente, Mark Current into Pin, na posição indicada na figura. b) Após conclusão e gravação do trabalho proceda ao Setup da análise DC Sweep utilizando os seguintes parâmetros: fonte de tensão [name: V1; Start Value: -2V; End Value: +30V; Increment: 0.1V] a que corresponde fazer variar a tensão da fonte V1 de 2V a +30V R1 com incrementos de 0,1V. c) Proceda à simulação do circuito, e no écran de probe que se obtém faça as alterações convenientes V1 A no menu Plot/Axis Settings/X Axis e Y Axis por D1 K forma a ter no eixo dos xx' a tensão aos terminais do díodo e no eixo dos yy' a corrente no díodo. Verifique que a curva que obtém é exactamente a curva característica do díodo. d) Grave em disquete os ficheiros produzidos para Figura 1.2 posterior inclusão no relatório. Pág. 3

2.3. Estudo da característica do díodo zener de 4,7V, 1N750 análise DC Sweep a) Desenhe o circuito da figura 1.3 utilizando o Schematics do MicroSim (R1=1kΩ, Dz=D1N750). Coloque um marcador de corrente, Mark Current into Pin, na posição indicada na figura. b) Após conclusão e gravação do trabalho proceda ao Setup da análise DC Sweep utilizando os seguintes parâmetros: fonte de tensão [name: V1; Start Value: -30V; End Value: +30V; Increment: 0.1V] a que corresponde fazer variar a tensão da fonte V1 de 30V a +30V com incrementos de 0,1V. c) Proceda à simulação do circuito e no écran de R1 probe que se obtém faça as alterações convenientes no menu Plot/Axis Settings/X Axis e V1 A Y Axis, por forma a ter no eixo dos xx' a tensão Dz aos terminais do díodo e no eixo dos yy' a K corrente no díodo. Verifique que a curva que obtém é exactamente a curva característica do díodo zener. d) Grave em disquete os ficheiros produzidos para posterior inclusão no relatório. Figura 1.3 3. Montagem e teste Com o teste em bancada pretende-se obter um conjunto significativo de pares de valores (VD, ID) por variação da tensão de entrada Vi, que possibilite a construção com relativo rigor da curva característica do díodo em teste; no caso do díodo de silício 1N4002 a sua curva característica é do tipo da representada na figura 2.1. O díodo é montado de acordo com o esquema da figura 2.2, numa primeira fase, para obtenção da sua característica directa, e depois invertido para obtenção da característica inversa. 3.1 Condução dos testes - díodo 1N4002 a) Implemente o circuito de acordo com o esquema da figura 2.2, usando os seguintes componentes: D = 1N4002 ou equivalente R = a determinar Vi = fonte de tensão CC ajustável de 0 a 30V Pág. 4

R I D I D Vi D A K V D Fig. 2.1 VD Fig. 2.2 Questão 1 - Calcule o valor da resistência R, e da potência nela dissipada, para uma corrente máxima no circuito da ordem dos 30 ma. b) Ajuste a tensão da fonte Vi para a sua tensão mínima. Em seguida faça variar a tensão de alimentação de forma a obter valores de corrente para I D de acordo com a tabela 2 em anexo. Fig.2.3 c) Inverta a polarização do díodo D e implemente o circuito da figura 2.3. Por variação da tensão Vi, tente medir o valor da corrente inversa I R e a correspondente tensão inversa V R de acordo com a tabela 3. Registe as leituras obtidas. Discuta os valores encontrados. Nota: Esta montagem apresenta vários aspectos que vale a pena referir. Em primeiro lugar colocou-se, em série com o díodo, uma resistência de 1MΩ. Esta resistência forma com o multímetro um divisor de corrente. Este fenómeno deve ser considerado nos cálculos a efectuar. Em segundo lugar sendo a corrente a medir da ordem do nano Ampere, a queda de tensão resultante na resistência de 1 MΩ deve ter um valor na ordem do mv passível de medida com os multímetros disponíveis no laboratório. Com base nesse conhecimento pode-se calcular a corrente inversa do díodo. Pág. 5

d) Com os registos efectuados em b) e c) trace a curva característica do díodo (características directa e inversa num mesmo gráfico). De acordo com os valores da corrente da polarização directa, verifique que o aumento de tensão que é necessário aplicar aos terminais do díodo de modo que a corrente duplique é aproximadamente constante e indique esse valor. Justifique. e) Com auxílio da montagem da Fig 2.4 e com uma fonte de tensão sinusoidal à entrada com 10V de amplitude à frequência de 1kHz, observe a curva característica do díodo no osciloscópio colocando-o no modo XY. Notar que enquanto o canal horizontal representa a queda de tensão no díodo (a queda de tensão na resistência é praticamente desprezável) o canal vertical representa a corrente que passa no díodo ( e que é a mesma que passa na resistência R2). Fig. 2.4 f) Com base na curva característica do díodo obtida em d) proponha um modelo linear por partes, propondo valores para Vγ, R F e R R, para o díodo que testou. 3.2 Condução dos testes - díodo emissor de luz (LED) No circuito utilizado em 3.1 substitua o díodo 1N4002 por um LED, vermelho ou verde. Repita a experiência da figura 2.2 com o LED polarizado directamente, seguindo os procedimentos anteriormente descritos em 3.1 a) e b). De seguida, inverta a polarização do Pág. 6

LED e de acordo com a figura 2.3 meça a corrente inversa tendo o cuidado de não exceder uma tensão inversa de 5V ao terminais do LED. Repita as alíneas d) e e) para o caso do LED. 3.2 Condução dos testes - díodo zener de 4,7V a) No circuito da figura 2.2, substitua o LED por um díodo zener de 4,7V. b) Com o díodo polarizado na região directa faça variar a tensão de alimentação Vi, de 0 a 30V, de forma a obter leituras para I D de acordo com a tabela 2 em anexo. Registe os valores da tensão V D aos terminais do díodo na tabela 2. c) Inverta a polarização do díodo Dz e faça variar novamente a tensão de alimentação Vi, entre 0 e 30V, de forma a obter leituras para I D de acordo com a tabela 3 em anexo. Registe as leituras obtidas. d) Com os registos efectuados em b) e c) trace a curva característica do díodo (características directa e inversa num mesmo gráfico). e) Com base na curva característica do díodo obtida em d) proponha um modelo linear por partes, propondo valores para Vγ, V Z, R D, R Z e R R, para o díodo que testou. 4 - Comentários finais e conclusões Apresente os seus comentários finais em relação ao trabalho efectuado, aos resultados encontrados e correspondentes conclusões, tendo em conta as curvas teóricas esperadas e as encontradas com o teste em bancada. Pág. 7

5 Anexos Tabela 1 1. V 1 = 10V; V 2 =10V; V 3 =10V V A V B V C V D V E V F V G Tensões nos nós Tensão aos terminais dos díodos Corrente nos díodos Estado dos díodos V D1 V D2 V D3 V D4 I D1 I D2 I D3 I D4 D 1 D 2 D 3 D 4 2. V 1 = -10V; V 2 =10V; V 3 = -10V V A V B V C V D V E V F V G Tensões nos nós Tensão aos terminais dos díodos Corrente nos díodos Estado dos díodos V D1 V D2 V D3 V D4 I D1 I D2 I D3 I D4 D 1 D 2 D 3 D 4 3. V 1 = 10V; V 2 = 5V; V 3 = -10V V A V B V C V D V E V F V G Tensões nos nós Tensão aos terminais dos díodos Corrente nos díodos Estado dos díodos V D1 V D2 V D3 V D4 I D1 I D2 I D3 I D4 D 1 D 2 D 3 D 4 Pág. 8

Tabela 2 Tabela 3 V d (V) Vf I D =(Vf- V d )/R V R (V) I R (ma) 0 2,5 5 7,5 10 15 20 25 30 Pág. 9