I. Grupo

Diodo Semicondutor e retificação: Fontes DC e Princípios de um
Receptor de Rádio AM
I. Grupo
Davi dos Santos Zocchio - 083414
Francisco Azevedo Alves - 081432
Felipe Junqueira Borges - 073065
II. Objetivos
O experimento consistia em duas partes distintas: na primeira parte o objetivo era
visualizar, analisar e estudar os efeitos de retificação de um diodo semicondutor em
tensões e correntes alternadas. Na segunda parte, realizamos o experimento de estudo de
funcionamento de rádios AM (amplitude modulada).
III. Teoria
Para a realização deste experimento foram utilizados os seguintes aspectos teóricos:
Diodo e Retificação:
Diodo é um elemento de circuito não-linear que devido ao material utilizado em
sua construção permite que a corrente passe em um sentido com resistência
praticamente nula (Direta) e resiste à corrente no sentido inverso com resistência quase
infinita (Inversa) tornado-se assim um elemento importante na retificação e consequente
transformação de correntes alternadas em contínuas. A figura 1 demonstra essa
propriedade do diodo (imagem obtida pelo osciloscópio em modo XY). Essa
transformação da onda é chamada de retificação pois a onda senoidal é “cortada” em
meio-período (figura 2).
Figura 1 - Corrente passando por um Diodo
1
Figura 2 – Onda senoidal
Também é possível obter uma retificação de onda completa com derivação
central como foi feito no experimento; na Metodologia Experimental será exemplificado
este circuito e o formato de onda resultante.
Fonte DC:
Com o uso de diodos é possível criar um circuito cuja voltagem e corrente de
entrada são alternadas e a saída é em corrente contínua e voltagem contínua, este é o
princípio básico de um circuito que compõem uma fonte DC (fonte de corrente
contínua), largamente utilizada em diversos aparelhos eletrodomésticos para converter a
corrente alternada que chega em residências para corrente contínua. A figura 3 abaixo
exemplifica uma fonte de tensão DC feita com 4 diodos e um capacitor, uma fonte AC
alimenta o circuito e a tensão de saída no capacitor é DC após a retificação.
Figura 3 - Circuito com entrada AC e saída DC
Princípios de Funcionamento de Rádios AM/FM:
Os rádios funcionam com modulação em freqüência (FM) ou modulação em
amplitude (AM). No presente experimento foi construído um receptor de rádio AM que
funciona da seguinte forma: ondas eletromagnéticas são captadas por uma antena o que
induz uma pequena corrente alternada no circuito, essa corrente então passa por um
filtro LC que serve como um filtro passa-bandas, o sinal então é recuperado e retificado
por um diodo e capacitor assim como a retificação nas fontes DC. Primeiramente
estudamos o funcionamento do rádio com um gerador de funções e depois com uma
antena em substituição ao gerador.
IV. Metodologia experimental
Neste experimento utilizamos: um osciloscópio, um protoboard, um transformador
variável ligado a tensão de 110V, um transformador de isolamento de 9V com derivação
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central, dois diodos retificadores 1N4004, um resistor de R = 470 ± 24 Ω, um capacitor
eletrolítico de C = 1000 ± 100 μF, um capacitor variável, um indutor de L = 55μH, alto
falantes e cabos de ligação do circuito.
O primeiro procedimento foi montar um circuito assim como descrito na Figura
4. Com a malha de D2 desconectada de P, obtivemos no osciloscópio a onda de tensão
no resistor, tiramos uma foto e a reproduzimos com o objetivo de explicar porque a
onda tem a forma obtida. Em seguida repetimos o procedimento, só que com a malha
D2 conectada ao ponto P.
A etapa seguinte foi adicionar um capacitor eletrolítico de C = 1000 μF, em
paralelo com o resistor R. Assim obtivemos uma fonte de tensão DC. Variando a tensão
no transformador observamos a mudança na tensão DC de saída, e pudemos descobrir a
relação entre essa tensão e a amplitude do sinal alterado.
Figura 4 - Circuito utilizado na primeira parte
O segundo procedimento foi montar o circuito mostrado na figura 5. Utilizando
um gerador de funções de ondas senoidais, determinamos a freqüência de ressonância
do filtro LC, para uma posição arbitrária do capacitor variável, e dentro da faixa de
trabalho do gerador de funções. Assim podemos determinar o fator de qualidade Q do
filtro LC. Em seguida variamos a amplitude e a freqüência do gerador, ou a freqüência
do filtro e anotamos o que foi observado.
Figura 5 - Circuito utilizado na segunda parte
Utilizando em seguida o gerador de funções com modulação FM (com a tecla
SWEEP do osciloscópio pressionada), conectamos à bobina L2, colocando próxima da
bobina L1, de forma a induzir um acoplamento indutivo entre elas. Em seguida
conectamos a saída do circuito da figura 5 ao alto falante e ouvimos o som na
freqüência de modulação aplicada. Variando a amplitude do gerador, a amplitude de
modulação, sua taxa e também sua freqüência do circuito LC, obtemos as frequências
do gerador com que é possível obter uma tensão V de saída apreciável. Podemos
analisar dessa forma o papel do fator de qualidade Q do circuito LC ressonante.
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V. Resultados e análise dos dados
1ª Parte:
Tendo montado o circuito para a parte A do experimento e mantendo a malha
D2 desconectada em primeira análise obtivemos a seguinte curva no osciloscópio:
Foto 1 - Retificação de meia onda
Analisando essa imagem foi possível observar os efeitos do diodo na corrente
alternada do circuito. Devido a sua característica de permitir a passagem de corrente
num sentido e quase que impedir a passagem da corrente em sentido contrário, a onda
que seria senoidal aparece “cortada” periodicamente em meio-período, esse é o efeito de
retificação de onda explicado na Teoria.
Após essa análise, nós ligamos a malha D2 e adicionamos um capacitor
eletrolítico, como indicado na Metodologia Experimental, primeiramente colocamos o
diodo no sentido de deixar passar a corrente e obtivemos a foto 2, depois invertemos o
diodo da malha D2 para que ele não deixasse a correte passar, dessa forma a corrente
sofre a chamada retificação de onda completa que, em conjunto como o capacitor em
contínuo processo de carga e descarga, resultou na imagem (foto 3) obtida pelo
osciloscópio:
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Foto 2 – Tensão DC na saída; resultante da adição de um capacitor
Foto 3 – Tensão DC na saída; resultante da adição de um capacitor
A tensão, que era senoidal, passa a ser uma tensão contínua, ou seja, a corrente
alternada foi retificada e convertida para a corrente contínua, esse circuito, portanto, nos
permitiu entender o funcionamento de uma fonte de tensão DC. As ondas senoidais de
tensão originárias da corrente alternada são retificadas nos dois sentidos devido a
ligação da malha D2 e a adição do capacitor carregando e descarregando diminui o
“gap” gerado pelos diodos que não são ideais. Os diodos deixam passar um pouco de
corrente e acabam não atuando na onda toda, assim o capacitor torna-se um elemento
otimizador no circuito, dessa forma temos a corrente e tensão contínuas.
Neste circuito também coletamos alguns pontos para determinar a relação entre a
tensão DC e a tensão fornecida. Estes pontos estão na tabela abaixo:
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Tabela 1 - Pontos de Tensão de Entrada e Saída, coletados no circuito com o capacitor
Tensão de Entrada (V)
20
26
32
38
44
50
56
62
68
74
80
86
92
98
104
110
σTE
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Tensão de Saída (V)
1,8
2,34
3,12
3,85
4,56
5,33
6,02
6,78
7,4
8,16
8,9
9,57
10,3
11,1
11,8
12,6
σTS
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,005
0,05
0,05
0,05
0,05
Plotamos o gráfico no Origin (gráfico no Anexo) e, usando a linearização do
programa, encontramos que:
tg α = TS/TE = 0,11943 ± 0,0005
Portanto, a tensão de saída é aproximadamente 10 vezes menor que a de entrada.
2ª Parte:
Montamos o circuito da figura 5, ajustamos a frequência para um valor acima de
200 kHz e, com o auxílio da caixa de som, ouvimos o som emitido pelo circuito. No
ponto em que o som estava mais intenso, registramos a frequência auferida no CH1 do
osciloscópio: 52,50 Hz.
A seguir, variamos a frequência, obtivemos dois comportamentos distintos: para
frequências mais baixas (menores do que a citada acima), o som não foi ouvido e, no
osciloscópio, a figura impossibilitava a medição (o período da função não era
identificável). Já para as frequências nas quais o som era ouvido, a frequência do CH1
não variava significativamente, ou seja, o valor estava fixo na frequência de
ressonância, impossibilitando uma coleta de pontos distintos. Tentamos variar o sweep
de diversas maneiras, porém o problema permaneceu. Mesmo assim, coletamos, ao
variar a frequência no gerador, os valores obtidos de frequência e voltagem no CH1. A
voltagem variou de 5,2 V até 19,6 V.
Com os problemas citados, recorremos à formula teórica para calcular a
qualidade Q do circuito. Antes, podemos fazer uma análise quantitativa: dada a nossa
dificuldade em encontrar pontos e, recorrendo aos resultados do experimento 5 (em
especial o gráfico), a qualidade deve ser um valor alto. Ou seja, para uma faixa muito
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estreita de frequências, a voltagem (e, consequentemente a potência) salta para um valor
muito grande.
A fórmula teórica da qualidade é:
Q = [(L/C)1/2]/R
Porém, a resistência R da fórmula é a resistência interna do circuito, a qual não
foi possível determinar, já que a fórmula teórica não estava prevista para ser utlizada.
Podemos, entretanto, estimar o valor de R (aproximando para a resistência interna do
indutor) e L/C:
ω = 329,87 rad/s = 1/[LC]1/2
Como L = 55 μH, encontramos que C = 0,167 F. Então, a razão L/C e a
qualidade ficam:
L/C = 0,018
Q = 0,018/47 = 0,00038
O valor de Q encontrado não condiz com a análise qualitativa e o modelo
previsto. Isso ocorreu devido aos erros experimentais, às interferências dos
equipamentos e nos equipamentos utilizados e, principalmente, à baixa largura da faixa
de frequências (resultado dos elementos do circuito, que amenizavam muito a
frequência de entrada), tornando a medida imprecisa.
Para facilitar a análise da conversão das modulações, a curva V vs f de um filtro
LC genérico foi inserida abaixo:
Figura 6 - Curva V vs f de um LC
O ponto 4 é a frequência de ressonância. O circuito LC converte modulação em
frequência (FM) em modulação em amplitude (AM) entre os pontos 2 e 4 (valor um
pouco abaixo da frequência de ressonância). Neste trecho inclinado, a variação na
frequência gera uma variação de amplitude neste local, convertendo a modulação da
onda.
VI. Discussão e conclusão
Nesse experimento foram feitas análises de retificação, fontes de tensão
DC e funcionamento de rádios AM/FM. Com elas nós concluímos que a retificação é
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um processo causado por materiais que resistem a passagem de corrente em um
determinado sentido e a impedem no outro, causando o “corte” de ondas senoidais,
como discutido anteriormente, e que esse fenômeno é a base para construção de fontes
DC na qual, através de diodos e capacitores, é possível converter corrente alternada em
corrente contínua.
Na segunda parte, vimos como se comporta um receptor de amplitude
modulada, o circuito LC, com C variável. Verificamos a resposta do circuito quando
aproximamos a frequência de entrada à frequência de ressonância, e a importância desta
frequência para a sintonia de um rádio. Determinamos como uma frequência modulada
pode ser detectada por um filtro LC e, devido à interferências externas e internas, e à
baixa precisão dos instrumentos, o fator de qualidade não pode ser determinado com
precisão.
VII. Bibliografia
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física Volume 3, 6. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2002.
BROPHY, J. J. Eletrônica Básica – 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1978. pp. –
94-101
Apostila de F-429 Experimento 7 – Diodo Semicondutor e Retificação : Fontes DC e
Princípios de um Receptor de Rádio AM
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