INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS DO TRABALHO E DA EMPRESA Enunciado do 1º Trabalho de Laboratório FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA DÍODO DE JUNÇÃO Objectivos e regras de funcionamento: Com este trabalho pretende-se que o aluno consolide os conhecimentos teóricos adquiridos relativos ao funcionamento do díodo de junção, que ganhe a vontade com a utilização do software Multisim e com a utilização do material do laboratório, nomeadamente o gerador de sinais o osciloscópio e o multímetro. O trabalho de laboratório é composto por duas sessões de laboratório, nas quais serão realizadas simulações de circuitos que serão validados através de resultados experimentais. É necessária a leitura prévia deste enunciado para a realização do laboratório. A construção dos ficheiros de simulação e a subsequente obtenção de resultados deve ter lugar na aula de laboratório. Os valores dos componentes variam de grupo para grupo tal como indicado no enunciado. Formulário Equação da corrente de um díodo I D I S (e VD VT 1) Definições VT kT q T 300 K 25mV Lista de material Material de laboratório Osciloscópio Multímetro Díodos e resistências (componentes discretos) Pilhas Breadbord Pontas de Prova Software Electronics workbench (Multisim) Parâmetros e dimensionamento O Díodo a utilizar é o n-ésimo da lista de díodos do Multisim (n = # grupo) Inclua no relatório a referência do díodo e o modelo do Multisim (faça copy past da caixa de dialogo que indica model data) R 1k (# grupo ) Vi 2V (# grupo 5) Procedimento Sugestão: Comece por abrir um documento de Word e vá colocando os resultados que for obtendo. Assim adianta trabalho para o relatório. Pode guardar os resultados na sua área de trabalho de FE, e depois passar para a área no ISCTE, para que lhes possa aceder fora do período de aulas. Análise da característica I(V) do díodo 1 Figura 1. Caracterização do díodo. 1. Utilizando o editor de esquemáticos e o simulador eléctrico disponível construa e simule o circuito anterior. Este é constituído por um Amperímetro (multímetro configurado para medir correntes), um voltímetro, uma fonte de corrente e um díodo. Meça a tensão aos terminais do díodo para Id=10mA. Para colocar os componentes basta retira-los das respectivas barras. Não se esqueça de colocar a massa. As ligações são efectuadas arrastando os terminais dos componentes. O multímetro e o amperímetro encontram-se na barra de instrumentos à esquerda, os restantes componentes encontram-se à direita. Para mudar a orientação podem premir Control+R ou utilizar o botão direito do rato. Para iniciar a simulação ligue o interruptor representado no ecrã. 2. Faça um DCswep (Simualte->Analysis->DcSweep) para representar a característica I D VD , fazendo variar o valor da fonte de corrente de 0 a 100mA com passos de 1mA. Note que cada nó do circuito está numerado, devendo indicar qual é o nó que pretende visualizar, na Tábua “Output Variables”. Indique as diferentes zonas de funcionamento do transístor. Faça copy past do gráfico obtido para o relatório, ou utilize a opção de exportação para o Excel. 3. Repita a alínea anterior mas agora varie a corrente entre -100mA e 10 mA. 4. Repita o procedimento que usou na alínea anterior para simular o impacto da variação da temperatura no dispositivo para os seguintes valores T=-40ºC, T=27ºC e T=120ºC. (vá a DCSweep->miscellaneous option e altere o parâmetro temp, operating temperature) . Apresente as diferentes curvas num único gráfico. Comente as características resultantes. Análise do díodo de junção inserido em circuitos de rectificação Rectificador de meia onda D1 XSC1 G V1 R1 10V 100Hz 0Deg 1kohm A B T Figura 2. Rectificador de meia onda. Monte o circuito representado na figura. 1. Observe e represente a onda de entrada e de saída, e confirme que o circuito rejeita a parte negativa do sinal de entrada. Altere a escala de tempo do osciloscópio de forma a observar mais ou menos dois períodos do sinal de entrada. Coloque os gráficos observados no relatório, para tal pode fazer Alt+PrtScr para copiar o conteúdo da janela corrente para o relatório. 2. Comente as ondas que observa. 3. O circuito não tem memória, pelo que o valor da tensão na saída é apenas uma função da tensão na entrada, Vo(Vi), a essa função chama-se a característica entrada saída da montagem. Represente graficamente e comente a característica entrada saída da montagem Vo(Vi). Sugestão: use o osciloscópio em modo B/A, observando Vi no canal A e Vo no canal B. Rectificador de onda completa 1 1 D1 D4 R1 D3 1 XSC5 D2 1 V1 G A B T Figura 3. Rectificador de onda completa. Monte o circuito da figura. 1. Observe e represente o sinal de entrada e os sinais em cada um dos terminais de da resistência. Comente os resultados obtidos. 2. Confirme que o circuito rectifica completamente o sinal de entrada observando a tensão de saída dada pela diferença entre o canal A e B. Sugestão inverta o canal B e some-o ao canal A. 3. Represente e comente a característica da montagem Vo(Vi). Sugestão: utilize uma fonte de tensão controlado por tensão para calcular a diferença de potencial aos terminais da resistência e use o osciloscópio em modo B/A, observando Vi no canal A e Vo no canal B. 4. Explique como utilizando este circuito, um condensador e um díodo de Zener pode realizar uma fonte de corrente contínua a partir de uma fonte de corrente alternada com uma oscilação da tensão na saída reduzida. Verificações experimental 1. Meça experimentalmente a característica Id(Vd) do díodo e represente-a graficamente no relatório. Para tal i) Monte na breadboard o seguinte circuito: R1 V1 1ko hm 12V Utilize o díodo (um díodo de potência) e a resistência existente no laboratório e ligueos à fonte existente. ii) Coloque a limitação de corrente na fonte em cerca de 1A para evitar curtos circuitos. Para tal comece por colocar 10V para a tensão a fonte. A fonte disponível no laboratório tem um amperímetro e um voltímetro que indicam o valor da corrente e da tensão fornecida pela fonte. Rode o botão que controla a limitação de corrente totalmente para a direita para que esta fique a zero. De seguida ligue o terminal positivo ao terminal negativo de fonte de forma a provocar um curto-circuito, e rode o botão da limitação de corrente até que no amperímetro da fonte indique 1A. Volte a separar o terminal positivo do terminal negativo. O valor da corrente fornecida deve-se voltar a anular e o valor da tensão volta aos 10V iii) Varie o valor da tensão na fonte desde 0V até 20V com intervalos de 1V. Utilizando o multímetro meça os valores de tensão na resistência e no díodo. Para tal deve ajustar o multímetro de forma a medir tensões, nomeadamente colocando o cabo preto no terminal COM e o cabo vermelho no terminal V-Hz-. Verifique que o multímetro se encontra configurado para medir tensões contínuas (botão DC/AC) e ajuste o ponteiro para que este aponte para V. Utilize os valores de tensão medidos na resistência para determinar a corrente no circuito. Coloque um quadro com os valores resultantes no relatório. iv) Utilize os valores medidos e um programa de gráficos (por exemplo o Excel) para traçar a curva id(vd) do díodo. Utilize para tal um gráfico, XY e não um gráfico de linhas! 2. Ligue directamente o gerador de sinais ao osciloscópio utilizando as pontas de provas disponíveis no laboratório. No gerador de sinais escolha uma forma de onda sinusoidal, ajuste a frequência para cerca de 100Hz e a amplitude para 10V. No osciloscópio ajuste a base de tempo de forma que o sinal seja bem visível. Um sinal de 100Hz tem um período de 10ms, pelo que deve escolher o período de varrimento de acordo. Ajuste igualmente a escala de amplitude do canal. Coloque o triger para o canal um, em modo normal, e ajuste o nível do triger até que o sinal fique estável. Pretende-se que fiquem a conhecer o funcionamento do osciloscópio e gerador de sinais. 3. Monte o circuito do rectificador de meia onda na breadboard. 4. Ligue o gerador de sinais à entrada do circuito e o osciloscópio à saída. Mantenha o sinal de entrada com uma amplitude de 10V e uma frequência de 100Hz. Verifique se o circuito funciona como esperado. Chame o docente para verificar o resultado. 5. Ligue uma resistência de 10k na saída do circuito e em paralelo um condensador cerâmico de 0.1F existente no laboratório. Utilize o osciloscópio para medir o valor resultante da oscilação da tensão de saída para frequências de 100Hz 1kHz e 10kHz. Compare estes valores com valores previstos teoricamente. Apresente os cálculos no relatório. 6. Qual é o valor da tensão na saída para a uma frequência do sinal de entrada de 10kHz. Compare este valor com o valore previsto teoricamente 7. Troque o condensador utilizado por um condensador de electrolítico de 100F e a resistência por uma resistência de 1k. Os condensadores electrolíticos são condensadores polarizados que só funcionam quando polarizados directamente, nomeadamente com uma tensão positiva aos seus terminais. A aplicação de uma tensão negativa aos terminais do condensador pode danificá-lo, sendo que o condensador entra em curto-circuito a partir de certos valores desta. Assim, ligue o terminal positivo do condensador (pata mais comprida) à saída positiva do circuito, e a pata negativa (assinalado com uma série de “-“) ao terminal menos. Meça os valores de oscilação da saída para frequências de 10Hz, 50Hz e 100Hz e compare com os valores previstos teoricamente. 8. Monte o circuito do rectificador de onda completa onda na breadboard. 9. Ligue o gerador de sinais à entrada do circuito e o osciloscópio à saída. Verifique se o circuito funciona como esperado. Chame o docente para verificar o resultado. 10. Repita as alíneas 5 a 7, utilizando agora o rectificador de onda completa. Notas As aulas de laboratório devem ser previamente preparadas. O enunciado de cada trabalho será entregue anteriormente à realização da aula de laboratório. As datasheets dos componentes utilizados nas demonstrações laboratoriais estão disponíveis na página do laboratório http:/iscte.pt/labeti Elementos a incluir no relatório: · Uma pequena introdução. · Os valores das resistências utilizadas e os dimensionamentos teórico devem anteceder os resultados das simulações. · Descrição pormenorizada do procedimento experimental e dos problemas ocorridos durante a simulação. · Todos os gráficos referidos ao longo do enunciado correspondentes aos resultados de simulação, aos valores esperados analiticamente, e aos resultados reais. · Comentários sempre que os resultados de simulação não coincidam com os valores esperados analiticamente ou observados durante a demonstração experimental. · Lista das escolhas/decisões tomadas no decurso do trabalho. · Opções de implementação e demonstração de resultados utilizadas. · Conclusões