FIW362 - Instituto de Física / UFRJ
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IF-UFRJ Laboratório de Física Moderna Eletrônica Prof. Antônio Carlos Santos FIW362 Curso de Licenciatura em Física Aula 3: Circuitos Ceifadores (limitadores de tensão) Este material foi baseado em livros e manuais existentes na literatura (vide referências) e na internet e foi confeccionado exclusivamente para uso como nota de aula para as práticas de Laboratório de Física Moderna Eletrônica. Pela forma rápida que foi confeccionado, algumas partes foram extraídas quase verbatim de outros autores citados na lista de referências. Trata-se de um texto em processo de constante modificação. Por gentileza, me informe os erros que encontrar. Introdução, Tipos de Diodo Os materiais semicondutores, que possuem características elétricas intermediárias ente os condutores e os isolantes, são amplamente utilizados em eletrônica. Dentre os semicondutores, um dos mais utilizados é o silício (Si). Diodo retificador – É o diodo próprio para trabalhar com altas correntes (acima de 1 A). Normalmente tem o corpo preto com um anel cinza nas extremidades Diodo de sinal - É o diodo fabricado para trabalhar com baixa correntes (na faixa dos mA). Tem geralmente o corpo de vidro, é menor e tem os terminais mais finos que o diodo retificador. Diodo de germânio – tem o corpo de vidro transparente e era usado nos rádios antigos para demodular os sinais de AM e FM (transformar um sinal de alta freqüência (RF) num de baixa (áudio)). Testes de diodos com multímetro digital – Para diodos e transistores em geral usamos o multímetro digital na escala marcada com um símbolo de diodo. A seguir medimos a peça nos dois sentidos. Se ele indicar baixa resistência num sentido (entre 400 e 900 Ω) e infinita no outro, o diodo estará bom. Objetivos – Verificar experimentalmente, as formas de onda na saído dos circuitos ceifadores, bem como as suas curvas de transferência. 9 Teoria – Circuitos ceifadores (também conhecidos como limitadores de tensão, seletores de amplitude ou cortadores) são aqueles que ceifam parte do sinal aplicado em suas entradas. Os principais circuitos ceifadores são aqueles que utilizam diodos, resistores e baterias. Um ceifador de sinal elimina parte de uma onda e passa somente o sinal que ocorre acima ou abaixo de um determinado nível de tensão ou de corrente. As aplicações incluem a limitação de amplitudes excessivas, formação de ondas e o controle da quantidade de potência entregue a uma carga. Você certamente já estudou um circuito retificador de meia-onda. O retificador de meia-onda funciona como um ceifador de sinal eliminando uma alternação inteira. Dependendo da orientação do diodo, a região positiva ou negativa do sinal de entrada é ceifada. Há duas categorias de ceifadores: série e paralelo. A configuração série é definida como aquela que tem o diodo em série com a carga, enquanto a paralela tem o diodo em um ramo paralelo à carga. Ceifador em série: Para a análise de um circuito ceifador, algumas idéias auxiliam na busca de uma solução: 1) Imagine um esboço da resposta do circuito baseado na direção do diodo e nos níveis de tensão aplicados. Para o circuito da figura acima, a direção do diodo sugere que o sinal de entrada seja maior do que a tensão da fonte para ligar o diodo. 2) Determine a tensão aplicada (tensão de transição) que causará a mudança de estado do diodo. Para o diodo ideal, a transição entre os estados ocorrerá no ponto em que a queda de tensão no diodo for 0 V e a corrente for 0 A. A aplicação desta condição no circuito da figura acima, o valor de Ventrada que causará uma transição do estado é Ventrada = V. Para um diodo real, a transição entre os estados ocorrerá no ponto em que a queda de tensão no diodo for de 0,7 V (silício) ou 0,3 V (germânio). A aplicação destas condições no circuito da figura acima, o valor de Ventrada que causará uma transição é Ventrada = V + 0,7 V (silício) ou Ventrada = V + 0,3 V (germânio). 3) esteja sempre ciente dos terminais e da polaridade de Ventrada. Exemplo: Determinar a forma da onda de saída para o circuito da figura abaixo. 10 Solução: A figura sugere que o diodo estará no estado ligado para a região positiva de Ventrada. Para um diodo ideal Vsaida = Ventrada + 5V e o nível de transição ocorre em Ventrada = -5 V. Para um diodo de silício, Vsaida = Ventrada + 5 V – 0,7 V e o nível de transição ocorre em Ventrada = - 4,3 V. Sumário Ceifador em paralelo: O circuito da figura abaixo é o mais simples das configurações em paralelo com diodos. A análise das configurações em paralelo é muito semelhante à utilizada em configurações em série. Para fins de análise, devemos utilizar a curva de transferência de cada circuito, que consiste num gráfico, o qual relaciona a tensão de saída com a tensão de entrada. 11 SAIDA SAIDA R v tempo tempo entrada saida V ENTRADA Analisando o circuito, supondo o diodo como ideal, teremos que para o semiciclo positivo da tensão de entrada, ate esta atingir o valor da bateria V, o diodo estará cortado, pois, a resultante das tensões, faz com que este fique reversamente polarizado, aparecendo na saída o próprio sinal de entrada. Quando a tensão de entrada atingir o valor de V, o diodo entrara em condução, fazendo a tensão de saída ser igual a V. A partir disso, a tensão de entrada atinge VMAX e decresce, ficando esta variação como queda de tensão no resistor R, continuando a saída com o valor V. Quando a tensão de entrada, decrescendo atingir um valor menor do que V, o diodo volta a condição de não condução, que prossegue durante todo o semi-ciclo negativo, fazendo com que na saída volte a aparecer o sinal de entrada. Teremos portanto, no trecho compreendido entre V e Vmax, parte do semi-ciclo positivo ceifado, obtendo-se assim um circuito ceifador positivo. Na curva de transferência, temos uma reta inclinada de 45o com coeficiente de transferência igual a 1, ou seja, toda tensão de entrada é transferida à saída sem modificações. Quando a tensão de entrada for maior do que V, a característica de transferência é paralela ao eixo de tensão de entrada, fixada no valor V, assim sendo, a toda variação da tensão de entrada, na saída, aparecera esse valor. Sumário 12 Material Experimental Gerador de sinais Osciloscópio Fonte variável Diodo 13 Resistores de 1 kΩ, 10 kΩ e 100 kΩ Parte prática I – Levantamento da curva do diodo 1 – Meça com um ohmímetro a resistência direta e reversa do diodo. Resistência direta Resistência reversa 2- Monte o circuito da figura abaixo Escolha valores de tensão entre 0 e 1 V Tensão (V) Corrente (mA) 3- Inverta a polaridade do diodo e repita o item anterior Tensão (V) Corrente (mA) 4- Faça um gráfico corrente versus tensa com os dados obtidos 14 corrente (mA) tensão (V) II – Ceifador 5- Monte o circuito da figura abaixo. Conecte a saída valores de RL, conforme a tabela. Para cada caso meça Vs com o osciloscópio, deixando no modo DC. Anote o valor medido e a forma de onda de saída. 6- Com a varedura desligada, observe na tela, a curva de transferência do circuito. Anote-a na tabela. H 1kΩ V S 4Vpp 10 kHz RL RL = ∞ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão 15 RL = 1 kΩ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão 7- Repita os itens 5 e 6 para os circuitos das figuras abaixo H 1kΩ V S 4Vpp 10 kHz RL RL = ∞ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão RL = 1 kΩ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão 16 H V 1kΩ S 4Vpp 10 kHz RL 1V RL = ∞ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão RL = 1 kΩ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = H 1kΩ S 4Vpp 10 kHz V/divisão horizontal = V/divisão V RL 1V RL = ∞ Forma de onda Curva de transferência 17 V/divisão V/divisão vertical = vertical = horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão RL = 1 kΩ Curva de transferência vertical = vertical = V/divisão V/divisão Forma de onda horizontal = V/divisão horizontal = V/divisão Questões 1- Nos circuitos montados, qual a influencia do valor da carga na tensão de saída ? 2- Por que, com a varredura desligada, aparece na tela do osciloscópio a curva de transferência ? 3 – Analise os circuitos vistos nas figuras abaixo, determinando suas características de transferência, supondo os diodos ideais e como tensão de entrada, onda senoidal alternada com VEmax >V 4- Para o circuito da figura abaixo, desenhe a forma de onda de VS devidamente cotada, bem como sua característica de transferência. VE R VS VE R VS V VE R VS VE R 18 VS Referências [1] Laboratório de Eletricidade e Eletrônica , F. G. Capuano e M. A. M. Marino. Ed. Érica [2] David. E. LaLond e John A. Ross, Dispositivos e Circuitos Eletrônicos Vol. 1, Makron Books. 19
