Relatório de Física Experimental IV

Relatório de Física Experimental IV
Experimento 6:
DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO: FONTES DC E PRINCIPIOS DE UM
RECEPTOR DE RADIO AM
Grupo:
Tábata Pinto
Charlie Van Der Geest
Felipe A. Gavazza de Souza
RA 072410
RA 072925
RA 073055
1. Objetivos do experimento:
O objetivo da primeira parte do experimento foi estudar o comportamento da corrente a
partir da construção de um retificador por meio de diodos e capacitores.
Na segunda parte o objetivo foi estudar a montagem de um radio AM e determinar a
freqüência de ressonância.
2. Metodologia experimental:
Os materiais utilizados nesse experimento para a montagem experimental foram:
Osciloscópio de dois canais, gerador de funções, transformador variável e transformador 110/12 V
com derivação central, dois diodos retificadores 1N4004 e resistor de 470 W, bobina de 55 mH,
diodo de germânio 1N60, capacitores de 410 pF e 1 nF.
Foi montado o circuito da figura abaixo utilizando primeiramente o diodo D1 , com o ponto P
desconectado. Foi obtido no osciloscópio a onda de tensão no resistor. Em seguida conectando o
ponto P obtivemos outra onda. Finalmente conectou-se um capacitor em paralelo com a
resistência e observou-se o efeito na onda.
Figura 1. Primeira montagem.
Montou-se o circuito da figura abaixo, que representa um diagrama de um dos receptores
mais simples de rádio AM, constituído de um circuito ressonante (filtro LC), um diodo de germânio
e um capacitor. A partir dele foram coletados dados para o calculo da freqüência de ressonancia
do radio AM.
Figura 2. Montagem do radio.
3. Resultados e Análises:
A Figura 1 sem a conexão P mostra um circuito conhecido como retificador de meia onda.
tensões instantâneas maiores que a tensão de limiar (aproximadamente 0,3V para diodos de
germânio, como é o caso do experimento). A tensão limiar representa a queda de tensão causada
pelo diodo, abaixo desta tensão o diodo causa tensão zero. Isto produz aproximadamente uma
meia onda senoidal de tensão através do resistor de carga. Para simplificar nossa discussão,
maior do que a tensão de limiar do diodo, sendo então que esta queda se torna insignificante
perto do valor da tensão. Na metade negativa do ciclo o diodo esta com a polarização reversa.
Ignorando a corrente fuga, o mesmo que a corrente reversa, a corrente de carga cai a zero, é por
essa razão que a tensão de carga cai a zero entre 180º e 360º.
Figura 3. Curva de retificador de meia onda.
O mais importante a ser observado num retificador de meia onda é o seguinte:
Ele converteu a tensão de entrada ac numa tensão pulsante cc. Em outras palavras, a tensão de
carga é sempre positiva ou zero, dependendo de que metade do ciclo ela se encontra. Colocando
de outra forma, a corrente de carga é sempre no mesmo sentido. Esse processo de conversão de
ca para cc é conhecido como retificação.
A figura 1 com a conexão P mostra um retificador de onda completa. Durante o semi ciclo
positivo da tensão, o diodo de cima está com polarização direta e o diodo de baixo com
polarização inversa; portanto, a corrente passa pelo diodo de cima, pelo resistor de carga e pela
metade superior do enrolamento. Durante o semiciclo negativo, a corrente passa pelo diodo de
baixo, pelo resistor de carga e pela metade inferior do enrolamento. Observe que a tensão de
carga tem a mesma polaridade porque a corrente através do resistor de carga esta no mesmo
sentido, independente do que o diodo esteja conduzindo. É por esse motivo que a tensão de
carga é o sinal com retificação de onda completa que aparece na figura abaixo.
Figura 4. Curva de retificador de onda completa.
Um retificador de onda completa se parece com dois retificadores de meia onda voltados
um de costas para o outro, com um retificador controlando o primeiro semiciclo e o outro o
semiciclo alternado. Por causa do enrolamento da segunda parte do circuito com derivação
central, cada circuito do diodo recebe apenas uma metade da tensão da segunda parte do
circuito. Supondo que os diodos sejam ideais, isso quer dizer que a tensão de pico retificada é
metade da tensão de pico da segunda parte do circuito.
A saída de um retificador médio é uma tensão cc pulsante. O que precisamos realmente
para a maioria dos circuitos eletrônicos é uma tensão cc constante, do mesmo tipo da produzida
por uma bateria. Para converter sinais de meia onda e sinais de onda completa em tensão cc
constante, precisamos de um filtro - como um capacitor. O capacitor é colocado em paralelo com
a resistência R.
Uma fonte ca gera uma tensão senoidal com uma tensão de pico Vp. Durante o primeiro
quarto do ciclo de tensão da fonte, o diodo está com polarização direta. Idealmente, ele se
comporta como uma chave fechada. Como o diodo liga a fonte diretamente atraves do capacitor,
este se carrega até a tensão de pico Vp.
Logo depois de passado o pico positivo, o diodo para de conduzir, o que quer dizer que a
chave está aberta, pois o capacitor tem Vp volts por meio dele com a mesma polaridade da
tensão. Como a tensão da fonte é ligeiramente menor que Vp, o diodo passa para a polarização
reversa.
Com o diodo agora aberto, o capacitor se descarrega atraves da resistência de carga. Mas
aqui está todo o sentido do capacitor de entrada: a constante de tempo de descarga (o produto de
R por C) é muito maior que o período T do sinal de entrada. Por causa disso, o capacitor perde
somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que está desligado o diodo.
Quando a tensão da fonte atinge novamente seu pico, o diodo conduz durante um breve
intervalo de tempo e recarrega o capacitor até a tensão de pico. Em outras palavras, depois do
capcitor ter sido carregado durante o primeiro quarto do ciclo, sua tensão é aproximandamente
igual à tensão de pico da fonte.
A tensão de carga é então uma tensão cc quase perfeita. Único desvio de uma tensão cc
pura são as pequenas ondulações causadas pelas cargas e descargas do capacitor, como foi
observado no experimento. Quanto menor a ondulação, melhor é a retificação.
Para a filtragem de onda completa, comparado com a filtragem de meia onda, o capacitor é
carregado com uma freqüência duas vezes maior e tem somente metade do tempo de descarga.
Como conseqüência, a ondulação é menor e a tensão de saída cc se aproxima mais da tensão de
pico. Abaixo a figura da tensão cc obtida:
Figura 5. Filtro de onda completa usando um capacitor.
Rádio-Galena
Uma quantidade enorme de ondas eletromagnéticas e produzida a todo instante pelas
estações de radio, em diversas freqüências (entre 100 kHz e 300.000 kHz). São as chamadas
ondas de radiofreqüência. Essas ondas podem ser captadas por um receptor elétrico simples e
reproduzidas por caixas de som, utilizando-se apenas a energia que elas mesmas transportam.
A partir do inicio do século XX, foram introduzidos nos receptores de radiofreqüência com
diodos semicondutores, que permitem a passagem da corrente em um sentido, mas impede no
sentido oposto. Um dos primeiros semicondutores utilizados foi o galena. Nesse experimento
utilizamos o germânio.
Entretanto, por força do habito, qualquer receptor pequeno e simples, como o montado no
experimento, continua sendo chamado "rádio-galena", mesmo que o semicondutor utilizado seja
outro.
Figura 6. Rádio-Galena
Nossa montagem compõe-se basicamente de quatro partes:

Recepção:
O esquema de recepção de ondas eletromagnéticas de radiofreqüência consiste em
uma bobina ligada de um lado a uma antena e a um terra do outro. O sistema de recepção
pode captar radio-difusão de inúmeras freqüências. Essas ondas quando atingem a antena,
fazem oscilar as cargas elétricas contidas em toda a extensão da antena até a terra. Produzse assim uma corrente elétrica alternada. Por isso não é necessário tomadas ou baterias no
radio-galena.

Sintonia:
De todas as ondas eletromagnéticas existentes no espaço em torno de nós, deseja-se
captar apenas a freqüência desejada no radio. A própria bobina de recepção serve como
sintonizador, sendo uma bobina ou um capacitor variável, como no caso do experimento,
produzindo assim uma capacitância variável. Ao variar o valor da capacitância, variamos também
o produto L*C (indutância por capacitância) do circuito ressonante formado por esses dois
componentes elétricos. Ou seja, para cada valor L*C, o circuito ressonante “ressoa” apenas uma
determinada freqüência de ondas eletromagnéticas. Assim, no circuito de sintonia, a corrente
elétrica e alternada tem freqüência igual a da onda eletromagnética selecionada.
Teoricamente, a frequência de ressonância (aquela com que excitamos o circuito)
implica que as reatâncias do capacitor e da bobina possuem módulos iguais. Assim, XL =
Xc
1 = wL
wC
=>
w2 = 1
LC
=>
f2 =
1 .
4π2LC
A agudeza da curva de ressonância é descrita mediante um parâmetro
adimensional denominado fator de qualidade Q0 que é definido como o cociente entre a
freqüência angular de ressonância ω0 e a largura da curva de ressonância:
Para verificar a freqüência de ressonância do circuito LC substituímos a geração de
corrente alternada da bobina da antena p/ terra, por um gerador de funções acoplando uma
pequena bobina como na figura 2, assim pode-se observar as seguintes freqüências no
osciloscópio:
V (pico-a-pico)
13,0
21,0
30,0
41,0
39,0
18,0
8,2
6,0
4,6
Freqüência (kHz)
643
670
690
708
730
774
868
9510
9601
Tabela 1. Resultados das variações de freqüência .
Graficamente:
Gráfico 1. Gráfico variação de freqüências pela tensão.
Assim, pode se avaliar que a freqüência de ressonância é o pico do gráfico, que fica em
708 kHz. Durante o experimento pode-se anotar um intervalo de freqüência Δf igual a 30kHz,
sendo então o fator de qualidade:
Q = 708/30 = 23,6

Detecção:
Acontece quando a onda selecionada é uma combinação de duas outras ondas:
a “onda portadora” ou de “radiofreqüência” (que caracteriza a estação da emissora) e
a onda de “audiofreqüência” (que contém as informações sonoras). Para ouvir os sons,
usamos um sistema de detecção composto por um diodo, auxiliado por um pequeno
capacitor, formando um filtro de retificação como aquele estudado anteriormente nesse
mesmo experimento.
Primeiramente a corrente produzida no circuito é retificada pelo diodo, ou seja,
transformada de alternada para contínua. Em seguida é necessário separar as
componentes de radiofreqüência e de audiofreqüência. A separação se dá quando o
capacitor age como um filtro, deixando passar o sinal de radiofreqüência, que é
conduzido para a terra, e impedindo a passagem do sinal de audiofreqüência, que é
enviado para as caixas de som.

Reprodução:
Nossa montagem contou com um sistema de reprodução simples de caixas de
som. Ele transforma o sinal (elétrico) de audiofreqüência numa vibração (mecânica)
idêntica a produzida próximo ao microfone na estação de radio. Finalmente, então
ligando a antena e o terra pudemos escutar as vibrações sonoras.
4. Conclusão:
Por meio deste experimento pudemos entender melhor um circuito retificador e a
implicação do uso de um capacitor associado ao diodo nesse tipo de circuito. Entendemos
também como funciona um “Radio-galena”, um dos receptores mais simples de radio AM,
constituído de um circuito ressonante (filtro LC), um diodo de germânio e um capacitor.
5. Bibliografia:
(1) Malvino, A. P. Eletrônica, Vol. 1, Edição revisada, Makron Books do Brasil Editora Ltda,
São Paulo, 1986.
(2) http://www.cienciamao.if.usp.br/dados/rec/_olaboratorioemcasaradio-.arquivo.pdf ,
acessado em 7 de outubro de 2009.
(3) http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/elecmagnet/induccion/alterna1/alterna1.ht
m , acessado em 7 de outubro de 2009.
(4) Apostila da Disciplina F429, segundo semestre de 2009.