Experimento 6 : Diodo semicondutor e retificação

Experimento 6 : Diodo semicondutor e retificação – fontes DC e
princípios de um receptor de rádio AM
Grupo: Daniela Sato
Maria Silvia C. Franciscon
André De Caroli
RA: 090849
RA: 084489
RA: 072796
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Resumo:
Diodos semicondutores são utilizados para várias finalidades, uma delas é a de
retificar correntes alternadas. A retificação de correntes alternadas é utilizada na
transmissão de rádio, a qual será analisada neste experimento. Montamos circuitos
simples, mas capazes de gerar tensões alternadas que em seguida poderiam ser
retificadas e transmitir os sinais de rádio que queremos. Pudemos perceber que,
mesmo com o circuito simples que montamos, foi possível ouvir uma emissora de
rádio nitidamente. Portanto, concluímos que o fator de qualidade do filtro LC
montado no circuito é suficiente para obter sinais sem interferência.
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Introdução:
Retificador ideal é um aparelho para o qual a resistência é nula para uma das
polaridades (polaridade direta) da tensão aplicada, e infinita para a polaridade
reversa. Tal comportamento pode ser visto no gráfico da figura 1.
Figura 1: Gráfico corrente I vs. Tensão V
Como o próprio nome declara, trata-se de um dispositivo ideal, não existe na
realidade. Entretanto, é bastante frequente o uso de diodos semicondutores,
retificadores nos quais a resistência elétrica é reduzida para a polaridade direta, e
elevada para a polaridade reversa, sendo por essa característica, utilizados na
retificação de tensões e correntes alternadas. Nesse experimento, trabalharemos
com o conceito de retificação, utilizando diodos para tal intento.
Além disso, tínhamos que obter uma corrente contínua, através da inserção de
um capacitor no circuito. E por fim, deveríamos entender os princípios de
funcionamento de rádios AM e FM.
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Teoria:
Os diodos retificadores são dispositivos eletrônicos formados por materiais
semicondutores, como o silício e germânio. Quando polarizado, o diodo permite a
passagem da corrente elétrica em um sentido (corrente direta) e impede a passagem
da corrente elétrica no sentido contrário (corrente reversa). Esse processo consiste
na retificação de um sinal elétrico de CA (corrente alternada), que transforma um
sinal CA em um sinal CC (corrente contínua).
Nas figuras 2 e 3 encontram-se esquematizados os circuitos correspondentes a
um retificador de meia onda e a um retificador de onda completa, respectivamente.
Figura 2: Onda senoidal, retificador de meia onda e a onda resultante.
Figura 3: Onda senoidal, retificador de onda completa (com quatro diodos) e a
onda resultante.
Para a transmissão de rádio, a informação é “impressa” através da modulação
em amplitude (AM) ou em freqüência (FM). Um receptor bem simples de rádio
AM é constituído de um circuito ressonante (filtro LC), um diodo de germânio e
um capacitor. As ondas de rádioq eu atingem a antena produzem uma pequena
corrente alternada. O circuito LC, funcionando como um filtro passa-bandas, é
utilizado para selecionar a freqüência da emissora de rádio. O diodo e o capacitor
retificam o sinal recebido que é então enviado a um amplificador.
Há uma expressão para o fator de qualidade do filtro, que pode ser interpretada
como a qualidade do sinal, ou seja, se esta for alta, poderemos ouvir uma emissora
de rádio nitidamente, sem interferências. A expressão para o fator de qualidade do
filtro, que é medido experimentalmente, e o seu respectivo erro (calculado por
propagação de erros) são dados pelas equações 1 e 2, respectivamente.
𝜔
𝑄 = ∆𝜔0
∆𝑄 = (𝜔

1
1 −𝜔2
√∆𝜔0 2 + (𝜔
)
𝜔0 2
2
1 −𝜔2 )
(1)
(∆𝜔1 2 + ∆𝜔2 2 )
(2)
Metodologia Experimental:
- Materiais:
Dois diodos retificadores 1N4004;
Resistor de 470 Ω;
Bobina de 55 µH;
Diodo de germânio 1N60;
Capacitor de 1000 µF;
Osciloscópio;
Protoboard;
Transformador variável;
Transformador 110/12V com derivação central;
Gerador de funções.
- Métodos:
Primeiramente, deve-se montar o circuito da figura 4 sem conectar a
malha D2.
Figura 4: Circuito para análise do efeito do diodo.
Deve-se observar a forma da onda obtida na tela do osciloscópio. Em
seguida, deve-se conectar a malha D2 no ponto P, e também observar o
comportamento da onda.
Adicionando um capacitor C em série com a resistência R, devemos
observar qual sua influencia na onda senoidal. E variando a tensão no
transformador, podemos observar a mudança na tensão DC de saída.
Na segunda parte do experimento, devemos montar o circuito da figura 5.
Figura 5: Circuito utilizado para observar o comportamento da onda na
modulação AM.
Do circuito apresentado acima, obteremos os valores da freqüência de
ressonância e de dois mínimos. Com estes poderemos analisar a qualidade do
sinal obtido.
Em seguida, pressionando a tecla SWEEP, poderemos obter o sinal na
modulação FM. Este sinal irá modificar a forma da onda na tela do
osciloscópio, e isto deverá ser observado.
Na última parte do experimento, devemos montar o circuito da figura 6,
onde, do circuito da figura 5, houve apenas a substituição do gerador de
funções pelo fio da antena do laboratório.
Figura 6: Circuito utilizado para ouvir uma emissora de rádio.
Utilizando este circuito, devemos sintonizar a freqüência de alguma
emissora e verificar se a qualidade do sinal obtido é suficiente para ouvi-la
sem que haja interferência de outras emissoras.
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Resultados e Análise de dados:
Tendo montado o circuito da figura 4 e mantendo a malha D2 desconectada
em primeira análise, obtivemos a curva mostrada na figura 7 no osciloscópio.
Figura 7: 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.
Então, ligamos a malha D2, e obtivemos na tela do osciloscópio a figura
8.
Figura 8: Tensão DC na saída, resultante da adição de outro diodo a malha
inicial
Em seguida, ligamos um capacitor C em série com a resistência R. Agora, o
diodo da malha D2 não deixa a corrente passar, dessa forma a corrente sofre a
chamada retificação de onda completa que, em conjunto com o capacitor em
contínuo processo de carga e descarga, resultou na figura 9 obtida na tela do
osciloscópio.
Figura 9: 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.
Para a segunda parte do experimento, montamos o circuito da figura 5, e
determinamos a freqüência de ressonância para uma posição arbitrária do
capacitor variável. Obtivemos que f0 = 816 kHz. Considerando o erro da leitura
do osciloscópio como sendo 0,1% do valor obtido, teremos que:
f0 = 816,0 ± 0,8 kHz
sabendo que 𝜔0 = 2𝜋𝑓0 e seu erro sendo dado por ∆𝜔0 = 2𝜋∆𝑓0 (obtido pelo
método de propagação de erros):
ω0 = 5127 ± 5 krad/s
Também obtivemos dois mínimos para a função, sendo:
f1 = 830,6 ± 0,8 kHz e f2 = 785,5 ± 0,8 kHz
logo:
ω1 = 5219 ± 5 krad/s e ω2 = 4935 ± 5 krad/s
Com esses dados e as equações1 e 2 obtemos que a qualidade do filtro vale:
Q = 18,1 ± 0,4
Variando a freqüência do gerador, pudemos observar que a reta horizontal
subia enquanto aumentávamos sua freqüência, mas a partir de um ponto esta
começava a descer. Esse ponto de transição é o ponto onde temos a freqüência
de ressonância.
Em seguida, pressionando a tecla SWEEP, ou seja, mudando para a
modulação em freqüência (FM), pudemos observar uma onda como a mostrada
na figura 10. Não foi possível obter a tela do osciloscópio nesse momento, mas a
onda da figura 10 ilustra o comportamento observado.
Figura 10: Modulação FM como a observada na tela do osciloscópio.
Na última parte do experimento, no lugar do gerador de funções colocamos
a antena do laboratório e o fio terra, como mostrado na figura 6. Variando a
freqüência do circuito, selecionamos uma emissora de rádio em 1,167 MHz. Na
freqüência selecionada, pudemos ouvir nitidamente a programação da rádio,
portanto, concluímos que o fator de qualidade Q do filtro é suficiente para
selecionar estações sem interferência.
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Discussão e Conclusão:
Através da análise dos resultados obtidos, podemos concluir que os diodos
retificadores têm papel fundamental na transmissão de rádio, e que um circuito
simples pode ser utilizado para obter freqüências de rádio. Além disso, a qualidade
do sinal obtido também foi bem alta, considerando a simplicidade do experimento.
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Referências Bibliográficas:
Fragnito H., Apostila de Fisica Experimental IV, (Unicamp,SP, 2009), pp
82. Disponível em http://www.ifi.unicamp.br/. Acesso em 29/09/2010.
http://www.uel.br/cce/fisica/docentes/dari/d4_atividade13_264e42e9.pdf
Acesso em 30/09/2010.
http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura_verbete/219 Acesso em
30/09/2010.