Escola Superior de Tecnologia

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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
Departamento de Engenharia Electrotécnica
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..
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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).
A
V2
D1
V1
B
R2
R4
1k
1k
D
V3
D3
D2
R1
1k
D4
C
R3
G
1k
R5
F
1k
E
Figura 1.1
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 V1, V2 e V3,
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
A
probe que se obtém faça as alterações convenientes V1
D1
no menu Plot/Axis Settings/X Axis e Y Axis por
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.
Figura 1.2
d) Grave em disquete os ficheiros produzidos para
posterior inclusão no relatório.
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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
Figura 1.3
posterior inclusão no relatório.
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
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R
ID
ID
A
Vi
D
K
VD
VD
Fig. 2.1
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 ID 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 IR e a correspondente tensão inversa
VR 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.
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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, RF e RR, 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
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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 ID de acordo com a tabela 2 em anexo. Registe os
valores da tensão VD 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 ID 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, VZ, RD, RZ e RR, 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.
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5 – Anexos
Tabela 1
V2=10V; V3=10V
VA
VB
VC
Tensões nos nós
1.
V1= 10V;
Tensão aos terminais dos díodos
Corrente nos díodos
Estado dos díodos
2.
V1= -10V;
Tensões nos nós
V2=10V; V3= -10V
VA
VB
VC
Tensão aos terminais dos díodos
Corrente nos díodos
Estado dos díodos
3.
V1= 10V;
V2= 5V;
VA
Tensões nos nós
V3= -10V
VB
VC
Tensão aos terminais dos díodos
Corrente nos díodos
Estado dos díodos
VD
VE
VF
VG
VD1
VD2
VD3
VD4
ID1
ID2
ID3
ID4
D1
D2
D3
D4
VD
VE
VF
VG
VD1
VD2
VD3
VD4
ID1
ID2
ID3
ID4
D1
D2
D3
D4
VD
VE
VF
VG
VD1
VD2
VD3
VD4
ID1
ID2
ID3
ID4
D1
D2
D3
D4
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Tabela 2
⎯⎯⎯
⎯♦♦
♦♦⎯
⎯⎯⎯
Vd (V)
Vf
Tabela 3
ID =(Vf- Vd )/R
VR (V)
0
2,5
5
7,5
10
15
20
25
30
IR (mA)
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