Introdução Teórica Aula 7: Diodos Diodos

EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC Introdução Teórica Aula 7: Diodos Diodos Um diodo semicondutor é um componente eletrônico com dois terminais, chamados de ânodo (+) e cátodo (-­‐). A figura 1a mostra o símbolo do diodo assim como a identificação de seus terminais nos dispositivos comerciais. Em geral, um diodo apresenta a propriedade de permitir a passagem da corrente apenas em um sentido: do ânodo para o cátodo. Os diodos são fabricados com material semicondutor. Tipicamente utiliza-­‐se o silício, embora também se possa utilizar o germânio. Resultam da junção de silício do tipo-­‐P (silício dopado com impurezas tri-­‐valentes) com silício do tipo-­‐N (silício dopado com impurezas penta-­‐valentes). Um diodo emissor de luz (LED) apresenta a propriedade adicional de emitir luz quando percorrido por uma corrente. A figura 1b mostra os símbolos associados ao LED, assim como a identificação dos terminais correspondentes em dispositivos comerciais. a) b) Figura 1: Símbolo e identificação de terminais correspondentes em dispositivos comerciais de a) diodo e b) LED. A equação que relaciona a intensidade que circula pelo diodo e a sua tensão é uma relação exponencial complexa quando o diodo está ativo (ou em ON), e praticamente ID=0 quando o diodo está inativo (ou em OFF), porém existem varias aproximações que simplificam a análise dos circuitos com diodos. Algumas delas são: 1.-­‐ Aproximação ideal: 2.-­‐ Aproximação com fonte de tensão constante: 1/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC 3.-­‐ Aproximação com fonte de tensão constante e resistência: As aplicações dos diodos são principalmente retificadores de onda e ceifadores (ou limitadores de tensão). Em seguida é explicado como solucionar um circuito limitador de tensão com entrada triangular usando o modelo com fonte de tensão constante para o diodo. Para diodo em OFF: Para diodo em ON: A característica VIN-­‐VOUT e a forma de ondas são mostradas de seguida: 2/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC Para um circuito retificador de onda positiva com entrada triangular usando o modelo com fonte de tensão constante do diodo: A característica VIN-­‐VOUT e a forma de ondas são neste caso: Para um circuito retificador de onda completa a abordagem é a seguinte: 3/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC 4/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC Roteiro laboratório Aula 7: Diodos Objetivos •
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Introduzir conceitos básicos sobre diodos e LEDs Aprender a utilizar um LED em conjunto com uma fonte de tensão e um resistor Montar e analisar circuitos com diodos: ceifador e retificador de meia-­‐onda (e, opcionalmente, retificador de onda completa) Lista de material •
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Osciloscópio e gerador de sinais Resistores R1 = 1kΩ, R2 = 470Ω 4 diodos 1N4148 e 2 LEDs de mesma cor (vermelho ou amarelo) Roteiro da experiência 1) Monte o circuito abaixo e meça a tensão VD e a corrente I no LED. Preencha a Tabela 1. Repita o exercício substituindo o resistor por R2. Ao final, desligue a fonte de tensão contínua (pois esta não será mais usada no restante da experiência). 2) Siga os procedimentos abaixo. a) Utilizando o gerador de sinais e, com ajuda do osciloscópio, produza uma onda quadrada com f = 1kHz , Vmin = -­‐5V e Vmax = 5V. Mostre-­‐a no CH1 do osciloscópio (lembrando-­‐se sempre de utilizar escalas de tensão e tempo adequadas). b) Monte o circuito abaixo, onde a fonte de tensão vin(t) representa a tensão na saída do gerador de sinais. Os pontos rotulados como “CH1” e “REF” indicam onde devem ser conectadas, respectivamente, as garras vermelha e preta da ponteira do osciloscópio. Observe que os LEDs possuem polaridades opostas. c) Diminua gradativamente a frequência do gerador de sinais (até cerca de 1Hz) e observe o resultado. Explique o que acontece. Experimente também com uma onda senoidal. 3) Neste exercício você irá montar um circuito limitador de tensão (ou ceifador). a) Ajuste o gerador de sinais para onda triangular com f = 2.5kHz , Vmin = -­‐3V e Vmax = 3V. Mostre a saída do gerador de sinais no CH1 do osciloscópio, deixando o CH2 desligado. 5/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC Utilize as escalas de tensão e tempo mais adequadas para visualização (nesse caso, 1V/div e 100µs/div são uma boa escolha). Ajuste as posições horizontais de forma que o sinal fique perfeitamente centralizado na tela. b) Esboce o sinal observado (de preferência, a lápis) utilizando traço leve ou tracejado. Indique as escalas de tensão e tempo utilizadas e marque no gráfico a referência de tensão (a qual deve estar em 0V). Indique também (na lateral do gráfico) os valores máximo e mínimo do sinal. c) Monte o circuito abaixo, mostrando a saída do gerador de sinais no CH1 (com a garra preta em REF) e a tensão no diodo no CH2 (não é necessário conectar a garra preta da segunda ponteira). Observe que o diodo utilizado não é um LED. Deixe ambos os canais na mesma escala e na mesma posição horizontal. d) Complete o gráfico da questão 3.b), esboçando o sinal no CH2 superposto ao sinal no CH1. Utilize traço forte. Ligue e desligue cada canal individualmente para melhor visualização. Indique os valores máximo e mínimo do novo sinal (utilize cursores para fazer essa medição). e) Através do osciloscópio, estime a tensão de limiar do diodo utilizado. f) O que você acha que deve acontecer com o sinal no CH2 se você inverter a polaridade do diodo? Experimente e em seguida descreva resultado observado, fazendo uso de um esboço (qualitativo) para ajudar na descrição. g) O que você acha que deve acontecer com o sinal no CH2 se você adicionar, em paralelo, um novo diodo na polaridade oposta (circuito semelhante ao da questão 2)? Experimente e em seguida descreva resultado observado, fazendo uso de um esboço (qualitativo) para ajudar na descrição. 4) Neste exercício você irá montar um circuito retificador de meia-­‐onda. a) Mantenha o gerador de sinais e o osciloscópio na mesma configuração do exercício anterior. b) Monte o circuito abaixo (requer apenas trocar de posição o diodo e resistor) e esboce os sinais observados, indicando seus valores máximo e mínimo. c) Você conseguiria explicar por que o sinal observado na saída (CH2) é um pouco diferente do que se esperaria de um retificador de meia-­‐onda ideal? Para ajudá-­‐lo a responder essa questão, ajuste a posição vertical do CH2 de forma que os sinais se “encontrem”, lembrando que a Lei das Malhas também é válida para tensões que variam no tempo. 5) [OPCIONAL] Neste exercício você irá montar um circuito retificador de onda completa. a) Mantenha o gerador de sinais e o osciloscópio na mesma configuração do exercício anterior. Remova a ponteira do CH2 e desligue-­‐o. Apenas o CH1 será usado neste exercício. 6/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC b) Monte o circuito abaixo. (Sugestão: utilize linhas horizontais da protoboard como sendo os nós superior e inferior do circuito. Conecte as garras do gerador de sinais diretamente nos terminais dos diodos, após montar o restante do circuito.) c) Explique o efeito do circuito no sinal observado determinando os valores máximo e mínimo e período do sinal? Ajuste o TRIGGER caso necessário. 7/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC 8/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC Aluno(a): ______________________________________________________. Turma: ______________________ Matrícula: _______________________ Data: _____/_____/__________ Nota: ________________________ Tabela 1
VD I R1 R2 Questão 2.c)
Questão 3.b) e Questão 3.d)
Questão 3.e)
VD ≈ _______________. Questão 3.f)
9/10 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 7 EEL/CTC/UFSC Questão 3.g)
Questão 4.b)
Questão 4.c)
Opcional: Questão 5.c)
Questão de preparação
Quais as principais diferenças entre uma lâmpada e um LED? 10/10