Universidade Federal de Ouro Preto Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas Curso de Engenharia Elétrica - Campus João Monlevade
PRÁTICA 02 – DIODOS DIODOS RETIFICADORES DE MEIA ONDA E DE ONDA COMPLETA
Alunos: Alexandre Rodrigues Arthur Ribeiro Daniel Ferrareis Igor Natividade
Professora: Sarah Jorge
F ever ver eir o de 2016 J oão M on onll evade
1. Introdução ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ .............................. ........3 2. Objetivo ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ .................................. ............4 3. Materiais utilizados ............................................ ................................................................... ............................................. ..................................... ...............5 ................................................................. ............................................. ..................................... ...............6 4. Revisão Bibliográfica .......................................... ............................................................... ............................................ .................................. ............6 4.1. Diodo Semicondutor .........................................
4.2. Polarização Direta ............................................ .................................................................. ............................................ .................................. ............8 4.3. Polarização Inversa .......................................... ................................................................ ............................................ .................................. ............8 .................................................................. .................................. ...........9 4.4. Curva característica de um diodo ........................................... ................................................................ ............................................ ........................................... .....................10 4.5. Diodo Zener ..........................................
4.6. Diodos funcionando como retificadores de onda ........................................... ..................................................... .......... 12 ................................................................................................. ............................... 16 5. Roteiro prático e resultados .................................................................. ............................................................................ ...... 16 5.1. Ensaio 1 - Retificador de Meia Onda......................................................................
5.2. Ensaio 2 - Retificador de Onda Completa .................................................................... ................................................................... 19 5.3. Ensaio 3 – Filtro Filtro Capacitivo .......................................................................................... 22 5.4. Ensaio 4 – Regulação Regulação de tensão utilizando Zener ....................................................... 23 .............................................................................................................................. ......... 27 6. Conclusão ......................................................................................................................
1. Introdução Esta prática visa a implementação de circuitos retificadores, retif icadores, eles são utilizados na construção de fontes de alimentação de corrente continua, ou seja, é realizada a conversão de tensão ca/cc podendo ser de meia onda ou de onda completa. Circuitos mais simples podem utilizar apenas um diodo, o que faz com que ele apresente um ripple(é o componente de corrente alternada (Vca) que se sobrepõe ao valor médio da tensão de uma fonte de corrente contínua (Vcc) elevado, e circuitos mais complexos podem utilizar uma associação de diodos e tratam o ripple fazendo com que se tenha uma tensão cc pura. Os diodos utilizados na retificação tem potência e valor máximo de corrente muito maiores do os utilizados para outras aplicações.
2. Objetivo Esta experiência tem como objetivos: verificar o comportamento I-V dos diodos (retificador, Zener e LED), compreender o procedimento para análise de circuitos contendo diodos e introduzir aspectos relativos ao projeto de fontes de alimentação de corrente continua.
3. Materiais utilizados
Diodo retificador Diodo zener Resistências Fonte de tensão continua Gerador de sinais Osciloscópio Multímetro digital Capacitor Transformador
4. Revisão Bibliográfica 4.1. Diodo Semicondutor O diodo semicondutor é um dispositivo eletrônico feito de silício ou germânio constituído por uma junção PN, sendo esta uma combinação física de materiais com alta concentração de cargas positiva (P) e materiais com alta concentração de cargas negativas (N). Esta combinação de materiais é chamada dopagem eletrostática e é a responsável responsável pelo funcionamento de um diodo.
Figura 1 - Simbolo Diodo Diodo
Figura 2 - Junção PN
Tal dispositivo têm como fonte elementar de funcionamento a passagem da corrente em apenas um sentido dependendo exclusivamente de sua posição no circuito elétrico. Caso o diodo esteja em uma configuração de polarização direta a corrente fluirá normalmente sobre ele funcionando basicamente como um curto circuito. Caso o diodo esteja em uma configuração de polarização indireta em relação a fonte o dispositivo se comporta como como um circuito aberto aberto impedindo a passagem de corrente por por ele. Este funcionamento se dá pela junção PN onde cada face do material possui uma determinada característica oposta a outra face, gerando regiões de condução. O esquema de polarização direta e polarização inversa de um diodo pode ser claramente visto na figura abaixo:
Figura 3 - Polarização Direta
Figura 4 - Polarização Indireta
Figura 5 - Polarização do Diodo
4.2. Polarização Direta A polarização de um diodo é dita direta quando o pólo positivo da fonte geradora (+V) encontra-se ligado ao pólo positivo do diodo (P) comumente chamado chamado de anodo e o pólo negativo da fonte alimentadora do circuito (-V) entra em contato com o pólo negativo do diodo (N) chamado de catodo. Quando a tensão da fonte alimentadora do circuito atinge um valor maior que a tensão interna do diodo ( Diodos de silício geralmente têm uma tensão interna de +0,7V) as cargas livres irão se repelir e conseguirão ultrapassar a junção PN, se movimentando e ocorrendo a passagem de corrente elétrica. Em outras palavras o pólo positivo do diodo (P) torna-se ainda mais positivo e o lado (N) ainda mais negativo fazendo com que as cargas atravessem a junção e ocorra ocorra a passagem de corrente elétrica. elétrica.
Figura 6 - Polarização Direta
4.3. Polarização Inversa A polarização inversa de um diodo ocorre inversamente á polarização direta, pólo positivo da fonte (+V) conectado conectado ao pólo negativo do diodo (N) e pólo negativo da fonte (-V) ao pólo positivo do diodo (P). Na polarizaçã polarizaçãoo inversa ocorrerá uma atração das lacunas do pólo positivo do diodo (P) pela polarização negativa da fonte alimentadora do circuito e uma atração dos elétrons livres do cátodo (N) pela polarização positiva da fonte geradora. Uma vez que não existe um fluxo de cargas livres na junção PN não haverá fluxo de corrente elétrica no diodo.
Figura 7 - Polarização Reversa
4.4. Curva característica de um diodo Curva característica do Diodo é dada pela relação entre tensão (V) e corrente (I) através do dispositivo. Através da curva característica é possível observar o modelo de aproximação do diodo usado e seu funcionamento. Os modelos de diodo são ideal, semi-ideal e diodo de silício que será usado nesta prática.
Figura 8 - Configurações Diodo Diodo
Figura 9 - Curva Característica de um Diodo Diodo de Silício
Figura 10 - Diodo em Corte
4.5. Diodo Zener O diodo Zener ou diodo regulador de tensão é um dispositivo eletrônico semelhante ao diodo semicondutor, é projetado para operar em uma região com tensões acima da região de ruptura da junção PN. O dispositivo Zener atua como regulador de tensão mantendo a tensão constante em uma carga independente da variação da tensão de linha e da resistência na carga. Uma vez atingida sua tensão de ruptura ela se manterá constante ao longo de todo o funcionamento do circuito. Tal dispositivo assim como o diodo semicondutor possui uma configuração ideal e uma configuração real, sendo representadas nas imagens abaixo :
Figura 11 - Diodo Zener Zener Ideal
Figura 12- Diodo Zener Zener Real
Seu funcionamento se baseia na introdução de resistores em séries que limitam a corrente sobre o Zener, limitando assim a corrente Iz que flui pelo diodo. Para uma corrente maior que a corrente nominal (corrente máxima suportada pelo diodo) ele se queimaria como qualquer outro componente eletrônico, por isso a resistência em série é tão importante para o seu funcionamento ideal. Vale salientar que os valores de potência máxima, de tensão máxima e de corrente nominal de qualquer dispositivo podem ser encontrados no seu Datasheet.
Figura 13 - Circuito Diodo Zener Zener
Figura 14 - Zona de Funcionamento Corrente no Diodo Diodo Zener
4.6. Diodos funcionando como retificadores de onda Retificação de meia onda: Um circuito retificador de meia onda tem como principal características a retificação ou retirada de um sinal de corrente alternada (AC) da entrada de um circuito transformando-o em um sinal de corrente contínua (CC) através da utilização de diodos. O retificador de meia onda mais simples é composto por um diodo e um resistor onde o diodo só conduzirá corrente em apenas um sentido, seja +Vca ou -Vca. O funcionamento de tal retificador pode ser representado pela figura abaixo :
Figura 15 - Circuito Retificador de Meia onda onda
Observando a figura acima, quando o diodo está polarizado diretamente (+Vca) ocorre a passagem de corrente elétrica pelo diodo o que ocasionará uma tensão sobre o resistor. Já no semiciclo negativo (-Vca) o diodo encontra-se polarizado inversamente, logo não há passagem de corrente pelo dispositivo o que acarretará uma tensão nula sobre o resistor. Desta forma é possível ver que o sinal senoidal aplicado a entrada do diodo é retificado gerando apenas um sinal positivo ou um sinal negativo (dependendo da configuração do diodo).
Figura 16 - Retificação de Meia Onda Onda
Figura 17 - Retificação de Meia Onda Onda
Para um sinal retificado temos que :
= 0,31 0,3188 − sendo Vt = 0,7V em um Diodo de Silício. Retificação de onda completa: Um retificador de onda completa é um circuito que basicamente transforma corrente alternada AC em corrente contínua CC. O sistema mais conhecido de retificação de onda completa é composto por quatro diodos e é chamado de retificação em ponte. A configuração é dada a seguir :
Figura 18 - Retificador de Onda Completa
Diferentemente de um retificador de meia onda este retificador não altera somente uma parte da onda (+Vac ou – Vac). Vac). A tensão é retificada independete do semiciclo da tensão.
Figura 19 - Refiticação Onda Completa Completa
Figura 20 - Retificação Onda Completa Completa
Figura 21 - Onda Retificada Retificada
A média de tensão Vcc é dada por:
= 0,636 6 − 2 Sendo Vt a tensão tensão no Diodo que no caso do silício será de 0,7V. 0,7V.
Usando um capacitor em paralelo com a carga é possível manter a tensão de pico por mais tempo, uma vez que quando a tensão do sinal tende a cair o capacitor começa a descarregar. Desta forma o diodo entra no estado de corte até que a tensão vinda da fonte supere a tensão no capacitor. Quanto maior a constante RC, maior o tempo de queda da tensão do capacitor, e por conseguinte a tensão na carga é mantida bem próxima do valor de pico da tensão vinda da fonte. retificador de meia-onda. A diferença entre o valor de pico da senóide e o menor valor de tensão do capacitor é denominado ripple.
Figura 22 - Refiticador com Capacitor Capacitor
Figura 23 - Onda Retificada com capacitor
5. Roteiro prático e resultados 5.1. Ensaio 1 - Retificador de Meia Onda Analise o circuito proposto para retificação do sinal (5 Vrms, 60 Hz). Qual a expressão para a VPIV desta montagem? Ilustre as formas de onda de entrada e de saída considerando considerando o modelo linearizado li nearizado para o diodo retificador.
Figura 24 - Circuito Ensaio 01
Execute a montagem do retificador de meia-onda da Fig. 1 utilizando o diodo retificador. Visualize a característica de transferência e as formas de onda de entrada e de saída com o auxílio do osciloscópio da bancada.
Figura 25 - Montagem Montagem Circuito Ensaio 01
Determine teoricamente e experimentalmente: experimentalmente:
a) a tensão de limiar de condução direta do diodo; Considerando a queda de 0,7 devido a barreira de potencial do diodo, teremos:
= 0,7 b) o período observado das formas de onda; Como a frequência da entrada e da saída são as mesmas é possível calcular o período como sendo:
1 1 = = = 16,6 16,677 60 c) o valor de pico da corrente no diodo (estimada);
=
(5 ∗ √ 2)−0,7 2 )−0,7 = 6,37 6,37 1
O valor medido pelo grupo foi de 6,18mA
d) o valor da corrente cc na carga (estimada);
=
(5 ∗ √ 2)−0,7 2 )−0,7 = 2,02 2,02
=
= 2,02 2,02 1
Experimentalmente o valor de corrente encontrado na carga foi de 1,89mA
e) o valor da diferença (em volts) observada entre os picos das formas de onda de entrada e de saída.
Figura 26 - Forma de Onda Onda Saída Ensaio 01
ç = 7.07 − 6.48 = 0.6 Os componentes não são idealizados logo não foi possível obter o resultado exato esperado que era de 0,7V, porém 0,6V está bem próximo, o que indica que a prática foi bem sucedida. O fato da tensão ter variado um pouco culminou que as correntes também tiveram uma pequena variação, mas nada que não estivesse no padrão de erro.
Figura 27 - Ilustração Formas de de Onda Entrada e Saída Saída Ensaio 01
5.2. Ensaio 2 - Retificador de Onda Completa Analise os circuitos propostos (Fig.2 a-b) para retificação do sinal ac (5 Vrms, 60 Hz). Quais as expressões para a VPIV destas montagens? Ilustre as formas de onda de entrada e de saída considerando o modelo linearizado para o diodo retificador.
Execute sequencialmente sequencialmente as montagens dos retificadores de onda-completa ilustradas na Fig. 2 a-b utilizando diodos retificadores 1N4148. Visualize a característica de transferência (somente para a montagem da Fig. 2 a) e as formas de onda de entrada e de saída com o auxílio do osciloscópio da bancada.
Figura 28 - Montagem Circuito a) Ensaio 02
Figura 29- Montagem Circuito b) Ensaio 02
Determine teoricamente e experimentalmente: experimentalmente:
a) Os valores das correntes cc na carga (estimadas) em cada montagem; Devido ao fato do terra do osciloscópio ser o mesmo terra do gerador de funções usamos um transformador na prática de 6,9V.
Figura 30 - Transformador Transformador Usado Ensaio 02
Onda completa com tap central:
= 0,628 ∗
9,75 − 0.7 0.7 = 9,05 9,05 1
Experimentalmente o valor medido de corrente foi de 8,98mA
Onda completa com ponte de diodos:
= 0,636 ∗
9,75 − 1.4 1.4 = 8,35 8,35 1
Experimentalmente o valor medido de corrente foi de 8,27mA
b) Os valores das diferenças (em volts) observadas entre os picos das formas de onda de entrada e de saída (somente para a montagem da Fig. 2 a). Onda completa com tap central: Como com o tap central é obtida duas ondas derivadas da onda de entrada cujos valores de tensão são igual a metade do valor de tensão da onda de entrada, e devido a ação de um diodo em cada semiciclo, a diferença de pico entre entrada e saída será:
− í = 9.75 − 8.8 8.80 = 0,9 0,95
Figura 31 - Saída Retificador Retificador Ensaio 02
5.3. Ensaio 3 – Filtro Filtro Capacitivo Dimensione a capacitância necessária a ser associada em paralelo com a resistência de carga na Fig. 1, para garantia de uma tensão de ripple inferior a 0,5 V. Para a implementação do filtro com o capacitor escolhido, estime a corrente média que fluiria no diodo. É possível eliminar completamente o ripple elevando o valor da capacitância? Justifique sua resposta.
Figura 32 - Montagem Montagem Circuito Ensaio 03
Sendo
=
→ = .∗, → 1.53 1.53
Adotamos uma frequência muito alta pois já estávamos com um capacitor de 1.53uF em mãos, e após realizarmos a verificação do mesmo, concluímos que seria possível obter um ripple de 0,5V com com tal capacitor. A corrente no diodo não sofrerá qualquer alteração se mantendo constante como calculado no ensaio 01.
= 6,37 Se na prática existisse um capacitor ou uma frequência que tendesse ao infinito seríamos capazes de eliminar o ripple, porém como isso não acontece no mundo real, é impossível eliminar o ripple totalmente. Com o auxílio do osciloscópio verifique a amplitude da tensão de ripple sobre a resistência de carga no circuito da Fig. 1, quando o capacitor dimensionado anteriormente estiver conectado.
Figura 33 - Vripple do Ensaio Ensaio 03
5.4. Ensaio 4 – Regulação Regulação de tensão utilizando Zener Considere o circuito proposto na fig. 3, onda a capacitância assumirá o mesmo valor dimensionado anteriormente. O Zener empregado (4V7) e o LED (vermelho) seriam substituídos por seus modelos equivalentes linearizados. A corrente drenada variará na faixa de 5mA-50mA. Como no laboratório só tínhamos o LED verde, este foi usado em nosso projeto. O LED verde tem como seu modelo uma queda de 1.8V. Como a fonte do laboratório apresenta uma limitação em sua resistência interna, foi utilizado um transformador de 6,5Vrms para a realização desta prática. Uma vez que o capacitor continua dando um Vripple menor que 0,5V este não deverá ser dimensionado.
a) estime o valor da resistência R1 a ser empregada na montagem; Sendo R1 o resistor limitador de corrente no diodo Zener este pode assumir dois casos, sendo estes quando a carga for máxima, ou seja, quando o potenciômetro atingir seu maior valor e quando a carga for mínima com o potenciômetro em 0. Para carga máxima IRL = 5,1mA e para carga mínima IRL = 5,6mA. A corrente nominal do Diodo Zener (utilizando o datasheet) é de 71,4mA. Para o pior caso de IRL temos um valor máximo de R1 afim de compensar e equilibrar a corrente que passa no diodo Zener, logo IR1 = 76,5 mA. Calculada a tensão no ponto 2 ( levando em consideração consideração que utilizamos um transformador) transformador) V2 = 8,49V. Com a tensão no ponto 2 fica fácil determinar o valor val or de R1 utilizando análise de circuitos temos que R1 = 37,80Ω.
b) estime o valor da resistência R2 que limita a corrente no LED indicador a 20mA; Conhecendo Conhecendo o modelo de LED verde (queda de aproximadamente 1.8V) temos que:
2=
8,49 − 1.8 = 334, 334,5Ω 5Ω 20
c) estime a regulação de linha e a regulação de carga desta fonte cc.
Utilizando a fonte ac ajustável, reduza a amplitude do sinal de entrada de 10% relativamente à tensão de entrada anterior. Verifique com isso a razão de rejeição de “ripple”, as regulações de linha e de carga da fonte cc implementada pelo circuito da Fig. 3 nas três situações:
Figura 34 - Montagem Montagem Circuito Ensaio 04
a) Na ausência de carga, i.e, quando os terminais de saída estão em circuitoaberto; Como os terminais de saída estarão abertos a saída será a tensão do Zener que será de aproximadamente 5.6V
Figura 35 - Saída Circuito Ensaio 04
b) na presença da carga mínima (1.100 Ω);
Figura 36 - Carga Mínima Mínima Ensaio 04
c) na presenç a da carga máxima (100 Ω)
Figura 37- Carga Máxima Ensaio 04
Figura 38- Vripple em Comparação Comparação com Entrada
6. Conclusão A prática em si apresentou um grau elevado de dificuldade principalmente nos ensaios 03 e 04 os quais apresentavam um conteúdo denso e de bastante complexidade. Os resultados obtidos nos retificadores foram satisfatórios e condizentes com a teoria, fomos capazes de entender e projetar tais circuitos para retificação, r etificação, esta que, será bastante usada em nosso curso. A prática dos retificadores foi interessante pois nunca havíamos tido contato com tal tipo de prática, e poder observar o funcionamento do circuito com o ociloscópio foi de grande entusiasmo. Fomos capazes de determinar o Vripple de um circuito de forma interessante, na qual a partir de uma fórmula fomos capazes de controlar os parâmetros obtendo o melhor valor possível. A forma com que o RC afeta o circuito retificador é interessante podendo converter circuitos CA em circuitos CC através do uso de pontes de diodo. Todos os resultados envolvendo o Vripple foram condizentes com os valores calculados e no que a teoria se propões a dizer sobre tais casos. Os ensaios 04 e 05 foram bastante complicados, nos quais o grupo não teve uma assimilação de conhecimentos boa. Ficamos um pouco confusos em relação ao que era pedido e o problema com a fonte do laboratório só foi descoberto após a prática. Os resultados não foram tão satisfatórios quanto aos outros ensaios porém esperamos ter feito nosso melhor e entendido um pouco sobre o funcionamento de cada componente apresentado nesta prática.
