F 540 – Métodos da Física Experimental I Diodos e

F 540 – Métodos da Física Experimental I
Diodos e Transistores
Unicamp – Instituto de Física Gleb Wataghin
2do semestre 2013 Turma A
Prof. Daniel Ugarte
Sinais e retificadores
Bibliografia
“The Art of Electronics”,
P. Horowitz e W. Hill, cap. 1.
“Eletrônica” Malvino I, cap. 3 e 4
Objetivos
•
•
Analisar algumas medidas de sinais elétricos
Montar uma fonte de tensão com
um retificador de onda completa e
de meia onda.
•
Dispositivos passivos são dispositivos não apresentam nenhuma fonte
de alimentação própria, em geral
possuem apenas dois pinos, um para
entrada e outro para a saída.
Diodos
Um diodo retificador é um dispositivo
passivo, porém não linear. O diodo é
composto por uma junção de semicondutores com dopagens distintas do
tipo p e n (junção pn), sendo que esta
junção permite a passagem de uma corrente alta (~100 A) quando polarizado de
forma direta e muito baixa (~10-5 A)
quando polarizado de forma reversa.
Material
4 diodos retificadores (1N4001)
Capacitor de 22 µF
Resistência de décadas
Transformador 110/ 9 V
Introdução
Nos cursos experimentais anteriores
(envolvendo eletricidade) a maior parte
dos dispositivos utilizados (resistências,
capacitores e indutores) eram passivos
e lineares.
•
Dispositivos lineares são os quais
onde o sinal na saída é proporcional
ao sinal da entrada, i.e., se você duplicar a tensão na entrada, observará
uma duplicação da tensão na saída.
Curva característica de um diodo retificador
Em casos de polarização reversa muito
elevada, o diodo retificador pode ser destruído (tensão de breakdown). Em geral
estas faixas de tensão são da ordem de
dezenas ou centenas de volts, fora da
faixa de operação do laboratório.
Curva Característica
F 540 Retificador de Tensão
DT.2/5
Os componentes ou dispositivos eletrônicos apresentam uma curva característica, que é um gráfico do comportamento
da corrente em função da tensão aplicada sobre o componente. O gráfico apresentado da corrente contra a tensão do
diodo retificador é uma curva característica.
Retificadores
A distribuição de energia elétrica no
mundo é realizada por ondas senoidais,
com freqüências na faixa de 50-100 Hz e
amplitudes entre 100-300 V. Esta amplitude pode ser diminuída pelo uso de um
transformador, porém o sinal continua
alternado, AC. A maioria dos equipamentos atuais utilizam alimentação contínua, DC. A transformação de uma tensão alternada em tensão contínua é a
aplicação mais importante e mais presente dos diodos em nosso dia-a-dia.
A figura abaixo representa a saída de
tensão nos terminais de um transformador, similar ao utilizado no laboratório.
Observe que esse sinal apresenta um
valor de tensão média igual a zero
(VM=0)
Retificadores com filtros
Acoplar um capacitor à carga permite
filtrar as ondulações, minimizando a oscilação do sinal.
O modelo completo para a retificação
com filtro implica em um circuito RC, onde a ondulação do sinal (Tensão de ondulação, tensão de ripple) pode ser expressa por
− ∆t d

VR = V0 1 − e RC





Pré-Relatório
Defina tensão contínua, alternada, pico-a-pico, média e RMS.
Por que as abreviaturas DC e AC?
Por que os equipamentos eletrônicos
utilizam corrente contínua?
Utilizando um diodo na montagem podemos obter uma retificação de meia
onda ou de onda completa. A figura a
seguir apresenta a retificação de onda
completa, onde o sinal que sae do transformador é retificados.
Deduza uma expressão simplficada que
relaciona a tensão de ondulação
(ripple), VR, à corrente máxima da fonte (Io), tanto para o retificador de
meia onda como para o de onda completa:
VR =
V 0 ⋅ ∆t d
I0
=
.
RC
(2 ou 1) fC
F 540 Retificador de Tensão
DT.3/5
Retificadores
O retificador de meia onda é a fonte de
tensão mais simples que existe, onde
apenas meio ciclo da onda de tensão
alternada é convertido em tensão contínua.
Retificador de meia onda
A resistência de décadas representa
simplesmente qualquer dispositivo que
fosse ligado nesse “eliminador de pilha
simplificado”.
O sinal de tensão alternado na saída do
transformador é retificado, i.e, apenas os
valores de tensão positivos “passam”
pelo diodo, cortando os valores negativos de tensão. Essa é uma retificação
muito ruim, pois ainda tem muita oscilação no sinal retificado.
Monte o retificador de meia onda proposto abaixo e observe o sinal na saída do
transformador e sobre a carga.
Para melhorar a retificação, utilizamos o
retificador de onda completa, com o seguinte esquema:
Retificador de onda completa
O retificador de onda completa melhora o
sinal de conversão de energia AC em
DC.
Pré-Relatório
Defina tensão contínua, alternada, pico-a-pico, média e RMS para os retifiadores de media onda e onda completa
Retificador com filtro
WARNIG
Atenção que o capacitor eletrolítico apresenta polaridade, i.e., ele tem uma indicação de qual é seu lado positivo e negativo. Se for conectado de forma errônea, ele gera gás/vapor em seu interior e
explode, espalhando ácido, que queima
pessoas e destrói equipamentos, além
dele próprio!!!
Uma das formas de filtrar as oscilações
dessas ondas, de torná-las mais “lisas”,
mais contínuas é filtrá-las utilizando um
capacitor. O capacitor filtra os picos de
tensão, tornando o sinal de saída mais
uniforme
F 540 Retificador de Tensão
DT.4/5
Retificador de meia onda com filtro
A imagem acima ajuda a compreender a
necessidade das duas medidas
Grafique as curvas
VM vs. I0 e Vr vs. I0
• Utilizando os modelos simplificado e
completo faça o ajuste da curva
Vr vs. I0
Calcule o valor do capacitor com propagação de erro, e compare com os dados
do fabricante.
•
Retificador de onda completa com filtro
Experimento
Analise os resultados e interprete possíveis desvios.
NOTA:
Retificador de onda completa em ponte
com filtro
Monte o retificador de onda completa em
ponte com filtro proposto acima e observe o sinal na saída do transformador e
sobre a carga.
Utilizando o osciloscópio, meça os valores da tensão média VM (no modo DC) e
da tensão de ripple Vr (no modo AC) sobre a resistência de décadas.
O comprimento do relatório é limitado a 5
páginas.
Toda medida tem ERRO.
Todo resultado derivado das medidas
tem erro (ex. um ajuste, um cálculo, etc.).
Os valores teóricos esperados também
tem ERRO. As fontes dos erros são derivadas da utilização de valores medidos
nos cálculos, ou associados as faixas de
tolerância de fabricação dos componentes.
Comparação de valores medidos e esperados (ou Teóricos) deve considerar faixas de ERRO.
F 540 – Retificador de Tensão
5/5
Tabela auxiliar para medidas da fonte de tensão de Onda Completa
RDEC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5000
2500
1250
1000
830
620
500
410
350
330
RDEC
(Medida)
(R±σ)(Ω)
VMÉDIA
DC
(V±σV) (V)
VRIPPLE(V)
AC
(V±σV) (V)
As tabelas acima são auxiliares, que foram construídas supondo uma tensão média de 10 V na saída
do transformador, e que deve fornecer correntes entre valores próximos a 2 mA e a 30 mA.