apostila eletronica analogica-ufpi-v1 0

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ

DEPARTAMENTO DE ENG. ELÉTRICA

DISCIPLINA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA

PRÁTICAS DE LABORATÓRIO

PROFESSORES:

ELETRÔNICA ANALÓGICA

Otacílio da Mota Almeida

Marcos Zurita

SUMÁRIO páginas

APRESENTAÇÃO......................................................................................................1

PRÁTICA Nº 01 – CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO...................................2

PRÁTICA Nº 02 – RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA E ONDACOMPLETA SEM E COM FILTRO CAPACITIVO...................................................6

PRÁTICA Nº 03 – FONTE DE TENSÃO REGULADA A DIODO ZENER.............12

PRÁTICA Nº 04 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR TBJ.........16

PRÁTICA Nº 05 – TBJ OPERANDO COMO CHAVE.............................................20

PRÁTICA Nº 06 – TBJ OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS..........24

PRÁTICA Nº 07 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR FET.........28

PRÁTICA Nº 08 – FET OPERANDO COMO CHAVE.............................................32

PRÁTICA Nº 09 – FET OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS.........38

PRÁTICA Nº 10 – CIRCUITOS COM AMPLIFICADORES OPERACIONAIS......42

PRÁTICA Nº 11 – APLICAÇÕES PRÁTICAS COM LM741...................................46

PRÁTICA Nº 12 – FILTROS ATIVOS......................................................................52

PRÁTICA Nº 13 – FONTE AUXILIAR REGULADA A TRANSISTOR COMPROTEÇÃO DE CURTO-CIRCUITO.......................................................................56

PRÁTICA Nº 14 – CIRCUITOS REGULADORES INTEGRADOS.........................60

PRÁTICA Nº 15 – MODULAÇÃO PWM COM LM 555..........................................64

ESTRUTURA PARA FORMATAÇÃO DOS RELATÓRIOS...................................68

Universidade Federal do Piauí – Laboratório de Eletrônica Analógica. 1

APRESENTAÇÃO

A apostila de práticas de Laboratório referente à Disciplina de Eletrônica Analógica

consiste: edição, estruturação e adequação das práticas antigas do laboratório. As novas

práticas incluem ótima didática, organização e clareza, as quais contornam problemas e

dúvidas sugeridas por alunos e professores que utilizaram o material durante os semestres

anteriores a 2011/I.

Sendo assim, é apresentado o objetivo geral: fortalecer o incentivo ao aprendizado e

moldar o perfil do estudante direcionado à área de estudo da eletrônica; e de forma

semelhante são apresentados os objetivos específicos: adequar à aplicação prática o

conteúdo da disciplina, criar roteiros conforme o conteúdo ministrado semanalmente e

impor estrutura lógica na elaboração da prática.

Uma organização da estrutura dos roteiros de prática foi estabelecida de modo que

um encaminhamento lógico durante a realização do experimento possa ser seguido.

Aos alunos, este trabalho pretende contribuir de forma satisfatória no processo de

ensino-aprendizagem, de modo que literaturas complementares possam ser utilizada em

complementação ao processo de ensino.


PRÁTICA Nº 01 – CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o levantamento das curvas características do diodomediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICA

O comportamento da curva característica I = f(v) do diodo real e o modelo de segmentoslineares utilizados na determinação dos seus parâmetros são ilustrados na Figura 1(a) e (b),respectivamente. O comportamento da curva exponencial é dependente do material que constitui ajunção, sua área e a variação de temperatura, apresentando assim uma queda de tensão específicapara o componente (0,6 a 0,8 V para o diodo de silício). Ter o conhecimento dos parâmetros domodelo do diodo é bastante comum em aplicações, onde é desejável analisar as perdas docomponente quando em condução. A partir da análise gráfica da Figura 1(a) e do modeloapresentado na Figura 1(b), as Eqs. (1), (2), (3), (4) e (5) são obtidas e tratam: a resistência médiado componente (Rav), o modelo de segmentos lineares adotado, a expressão geral da potência nocomponente, a potência média dissipada no componente na forma integral do valor médio eresultado da potência média, respectivamente. Nota-se que a Eq. (5) é composta por umacomponente de corrente média e uma componente de corrente eficaz ao quadrado.

RVfo DId av

Figura 1 - (a) Curva característica e (b) modelo segmentos lineares do diodo.

N

ON

If

VfVfRav

(1)

IdRavVfVd O . (2)

2...)( IdRavIdVfVdIdtp OD (3)

dttpT

tPdT

Dmed .)(.1

)(0 (4)

2..)( efmedOmed IdRavIdVftPd (5)


3. ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO

O esquemático do circuito experimental é ilustrado na Figura 2.

D1

R1

0

A+ -

Vd

+

-

Id

Vi+

-

0...10 A

V0...2 V

Figura 2 - Esquemático a ser montado durante o experimento.

4. ESPECIFICAÇÕES, CONSIDERAÇÕES E MATERIAL UTILIZADO

A seguir é apresentada a seguinte especificação:

Vi = 0 a 2,7 [V] [Tensão contínua variável a ser aplicada à entrada].

Para o projeto devem ser tratadas as seguintes considerações:

IfMAX = 0,90 [A] [Corrente máxima adotada no diodo];

VfN = 0,70 [V] [Queda de tensão nominal no diodo]; e

D1 1N4007 [Diodo selecionado].

Os instrumentos e os equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Voltímetro (1);

Amperímetro (1); e

Fonte de tensão CC (1).

5. ANÁLISE COMPUTACIONAL

Conforme as informações apresentadas nos itens (2), (3) e (4), antes de ser realizada a montagemexperimental é necessário:

a) Determinar e especificar o valor das resistências comercial, bem como a potência dissipada; e

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados epreencher a Tabela 1 para os resultados simulados.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental. Mantenha a fonte Vi desligada.

b) Ligue a fonte Vi e ajuste a tensão desta de modo que a corrente medida pelo amperímetro seja aexigida na Tabela 1, meça a tensão Vd com o voltímetro e preencha a Tabela 1.

Tabela 1. Resultados experimentais e simulados.

Id (A) 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

Vd (V) Simulado

Vd (V) Experimental

7. QUESTIONÁRIO


a) Traçar as curvas I=f(v) simulada e experimental utilizando a Tabela 1.

b) Determinar a resistência média Rav referente às curvas I = f(v) simulada e experimental traçadasanteriormente.

c) Como a temperatura influencia na curva característica do diodo?

d) Determine a temperatura da junção do diodo fazendo uso das características térmicas do diodoadotado, onde deve ser considerada a temperatura ambiente de 25ºC para I(A) igual a 0,8 A (comoaproximação utilize a curva experimental obtida) conforme a Tabela 1.

e) Comente a respeito dos resultados obtidos com o experimento e seu respectivo circuito simuladocorrespondente.

f) Pesquise a respeito dos tipos de diodos: Schottky, Tunnel e Varicap.

8. APÊNDICE

PLANILHA 1: Cálculo da resistência série

1. Especificações:

Vi 2.7 [V] [tensão na fonte de entrada]

2. Considerações:

IdM 0.9 [A] [corrente inicial no diodo]

Vd 0.7 [V] [queda de tensão no diodo]

Radot 18 [] [resistência adotada]

Padot 0.25 [W] [potência dissipada no resistor]

3. Análise teórica:

i. determinando resistência e potência

R1Vi Vd

IdM R1 2.222 []

PR1 Vi Vd( ) IdM PR1 1.8 [W]

adota-se resistor de 2,2 / 2 W

ii. condição para paralelismo de resistências

PadotVi Vd( )

2

Radot

Vi Vd( )2

Radot0.222 [W]

iii. número de resistências em paralelo:

n ceilIdM

Padot Radot

Radot

n 8 [número de resistências em paralelo]

adotam-se 8 resistores de 18 / 0.25 W em paralelo

nota: caso o resistor de 2,2 / 2 W utilizado para o experimento não esteja disponível, utiliza-se como alternativa 8 resistores de 18 /0.25 W em paralelo.


PRÁTICA Nº 02 – RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA E ONDACOMPLETA SEM E COM FILTRO CAPACITIVO

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é a analise do funcionamento dos circuitos retificadoresmonofásicos de meia onda e onda completa mediante simulação e experimentação.


Os circuitos retificadores integram a maioria dos dispositivos eletrônicos que necessitam deuma fonte de tensão CC condicionada a partir de uma fonte AC senoidal disponível. Os diferentescircuitos (topologias) retificadores podem ser obtidos a partir do acréscimo de componentes, ourearranjo na posição dos mesmos. Os circuitos retificadores a serem montados durante a prática sãoapresentados na Figura 2. Nota-se que o simples acréscimo de um filtro capacitivo é capaz dereduzir a ondulação na forma de onda da tensão no capacitor, permitindo assim o aumento do valormédio da tensão de saída, conforme proposto na Figura 1.

Durante a determinação dos valores de resistência de carga e da capacitância de filtro, énecessário analisar o resultado teórico e o experimental. Para os retificadores sem filtro capacitivo,os elementos do circuito são determinados utilizando o valor eficaz da tensão na saída doretificador para uma queda de tensão no diodo considerada. São apresentados nas Eqs. (1), (2) e (3)o valor eficaz de tensão na saída para os retificadores: meia onda, onda completa com derivação eonda completa em ponte, respectivamente; e o valor de resistência de carga é tratado na Eq. (4).

)(.5,0 VdVsVo PKEF (1)

)(.2

1VdVsVo PKEF (2)

).2(.2

1VdVsVo PKEF (3)

Po

VoRo EF

2

(4)

Para o circuito retificador com filtro capacitivo, os elementos de circuito são determinadosconsiderando o valor da tensão média aproximadamente igual ao valor da tensão eficaz na saída doretificador, para uma queda de tensão no diodo e uma ondulação de tensão no capacitorconsiderada em projeto. É mostrado nas Eqs. (5) e (6) o valor médio da tensão de saída para osretificadores, na Eqs. (7) e (8) o valor da capacitância para filtro capacitivo, e na Eq. (9) o cálculoda resistência de carga, onde para cada par de equações apresentadas diz respeito aos retificadores:meia onda e onda completa (expressão é a mesma para os retificadores em ponte e em derivação).

).5,0( VCVdVsVoVo PKMEDEF (5)

).5,0.2( VCVdVsVoVo PKMEDEF (6)

VCfr

IoC

.(7)


VCfr

IoC

..2(8)

Po

VoRo MED

2

(9)

-

0

DVC

t ( )

T

p 2p 3p 4p

Vsmax

Vsmin

Vsmax

w.t

Vo med

Tc

Figura 1. Forma de onda da tensão na carga em um retificador de meia onda com filtrocapacitivo.


Os esquemáticos dos circuitos experimentais são apresentados na Figura 2.

Vrms

Lp Ls

D1

Ro

Id

Io

(a)

Vs

+

-

Vp

+

-

A+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

Rs

1 2

VrmsLp Ls

D1Id

(b)

C+- Ro

Io

A+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

1 2

Rs

VrmsLp Ls

D1

Ro

Id

Io

Vo

+

-

(c)

Ls

1 2

Rs

D2

VrmsLp Ls

D1

Ro

Id

Io

Vo

+

-

(d)

Ls

D2

C+-

1

Rs

2


VrmsLp

D1

Ro

Io

Vo

+

-

(e)

Id

D3

D2

D4

Ls

Ls

1

Rs

2

D1

Ro

Io

Vo

+

-

(f)

D3

D2

D4

C+

-VrmsLp

Id

Ls

Ls

1

Rs

2

Figura 2. Esquemáticos a serem montados durante o experimento: (a) retificador de meia onda,(b) retificador de meia onda com filtro capacitivo, (c) retificador de onda completa com derivação,

(d) retificador de onda completa com derivação e filtro capacitivo, (e) retificador de ondacompleta em ponte e (f) retificador de onda completa em ponte com filtro capacitivo.


A seguir são apresentadas as seguintes especificações:

Vrms = 220 [V] [Tensão eficaz no primário do transformador]; e

Po = 0,5 [W] [Potência na carga].


Vs = 12 [V] [Tensão eficaz no secundário do transformador];

fr = 60 [Hz] [Freqüência da rede];

Vd = 0,70 [V] [Queda de tensão no diodo];

∆VC = 15%.VsMAX [V] [Ondulação de tensão no capacitor filtro]; e

D1,D2,D3,D4 1N4007 [Diodo retificador].


Voltímetro (1);

Amperímetro (1);

Transformador com derivação central (+12V/+12V) (1); e

Osciloscópio (1).



a) Determinar e especificar os componentes utilizados (resistores e capacitores);

b) Conforme a Tabela 1, determinar teoricamente o valor das grandezas exigidas; e

c) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados epreencher a Tabela 1.

Nota1: durante a simulação utilize a função K_linear do ORCAD para o acoplamento magnéticodas indutâncias do lado primário Lp e do secundário Ls para o transformador (no primário assumiruma indutância de 1H e determinar a indutância no secundário, fazendo uso da Eq.(10)).

LpVsLsVp efef .. 22 (10)


6. PROCEDIMENTO

a) A partir dos esquemáticos apresentados na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte cada um dos circuitos retificadores. Mantenha a alimentação AC desligada.

b) Ligue a alimentação AC; para cada circuito retificador montado, utilizando um multímetro,meça as grandezas experimentais exigidas na Tabela 1 e preencha os campos correspondentes.

c) Para cada circuito retificador, com a ponteira de tensão do osciloscópio e sua referênciacorretamente posicionada, verifique o tempo de condução do diodo (Tc) para o circuito retificadorcorrespondente.

Nota2: As grandezas Id1EF, Id1MED, ∆VC, Tc e VdPIV devem ser medidas utilizando o osciloscópio.

Nota3: A Tabela 1 deve ser replicada para cada circuito retificador analisado.

Nota4: Devido à impossibilidade da medição de corrente eficaz em um dado diodo de forma diretacom o multímetro disponível, acrescenta-se um resistor (Rs) de baixa resistência (1Ω/0,25W) etolerância reduzida (< 5%) em série com o diodo escolhido (conforme visto na Figura 2), emseguida fazendo uso do osciloscópio é verificada a forma de onda da tensão no resistor que éproporcional a corrente que circula no diodo (medição indireta).

Tabela 1. Resultado teórico, simulado e experimental.

CircuitoRetificador

GrandezaMétodo de análise utilizado

Teórico Simulado Experimental

_

Id1MED [A]

Id1EF [A]

IoMED [A]

VoMED [V]

∆VC [V]

Tc [ms]

VdPIV [V]

7. QUESTIONÁRIO

a) Comente a respeito do tempo de condução (Tc) verificado em cada circuito retificador e faça umcomparativo dos resultados obtidos entre as demais grandezas utilizando a Tabela 1.

b) Comente a respeito dos resultados obtidos em cada um dos circuitos retificadores montadosexperimentalmente e compare com o seu equivalente simulado atentando para as grandezaspresentes na Tabela 1.

c) Analisando o circuito da Figura 2(f), suponha que o diodo D3 se danifique quando operando emregime permanente. Na 1ª situação, o componente comporta-se como um elemento de impedânciainfinita; e na 2ª situação, o componente comporta-se como um elemento de baixa impedância.Análise o comportamento do circuito para ambas as situações impostas. Apresente as formas deonda de tensão na carga.

d) Comente o motivo pelo qual foi adotada a medição indireta na determinação da corrente eficazno diodo e não a medição direta utilizando o amperímetro AC convencional.


e) Para as Figuras 2(e) e 2(f), explique o motivo da discrepância entre os valores medidosexperimentalmente: Id1MED e IoMED; a partir da forma de medição utilizada.

f) Pesquise a respeito da Ponte de Graetz.

g) Pesquise a respeito dos diodos utilizados em circuitos retificadores: Standard Recovery, FastRecovery e Ultra Fast Recovery.

8. APÊNDICE

8.1 Planilha 1: Dimensionamento dos componentes1. Especificações:

Po 0.5 [W][potência na carga]

2. Considerações:

Vs 12 [V]

fr 60 [Hz] [frequência da rede]

[V] [queda de tensão no diodo]Vd 0.7

VC% 15% [taxa de ondulação]

3. Projeto retificador de meia onda sem filtro:

Vomed_msc 0.318 2 Vs Vd Vomed_msc 5.174 [V] [tensão média na carga]

Voef_msc 0.5 2 Vs Vd Voef_msc 8.135 [V] [tensão eficaz na carga]

Romsc

Voef_msc2

Po Romsc 132.366 [] [resistência de carga]

VdPIV_msc 2 Vs VdPIV_msc 16.971 [V] [tensão de pico reversa]

componentes adotados: 2 x 270 / 0.25W [paralelo]

4. Projeto retificador de meia onda com filtro:

VCmcc VC% 2 Vs Vd VCmcc 2.441 [V]

Vomed_mcc 2 Vs Vd 0.5 VCmcc Vomed_mcc 15.05 [V][tensão média na carga]

Voef_mcc Vomed_mcc Voef_mcc 15.05 [V][tensão eficaz na carga]

Romcc

Vomed_mcc2

Po Romcc 453.021 [][resistência de carga]

ComccPo

Vomed_mcc fr VCmcc10

6Comcc 226.872 [uF][capacitância de filtro]

VdPIV.mcc 2 2 Vs VdPIV.mcc 33.941 [V][tensão de pico reversa]

[tensão eficaz no secundário transformador]

2 x 910 / 0.25W [paralelo] 220 F/ 25V [capacitor]componentes adotados:


PRÁTICA Nº 03 – FONTE DE TENSÃO REGULADA A DIODO ZENER

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é projeto e analise do funcionamento de uma fonte detensão regulada a diodo zener mediante simulação e experimentação.


Pequenas fontes de alimentação lineares são utilizadas em aplicações que necessitam deuma potência absorvida reduzida, sendo o diodo zener o componente utilizado em tais fontes. Apartir de um circuito retificador com filtro capacitivo alimentando uma carga linear, uma tensão nocapacitor com ondulação considerada em projeto é obtida. Para que a tensão na saída (na carga)seja exatamente constante projeta-se um circuito resistivo em série com o diodo zener, sendo assima variação da potência drenada pela carga na saída depende das características de potência do diodozener e do valor da resistência série, de modo que não haja perda na regulação da tensão na saída.São ilustradas na Figura 1 as etapas de um circuito pertencente a uma fonte de tensão regulada adiodo zener, onde se notam as etapas: abaixamento da tensão, retificação, filtragem e regulação datensão na carga.

LsLpVrms DR C DZ

+

-

+

--

+

tensão CCregulada

transformador retificação filtragem regulaçãoabaixador

Figura 1. Etapas de uma fonte de alimentação CC.

A resistência em série com o diodo zener (Rs) deve ser projetada de modo a manter atensão regulada nos terminais da carga, mesmo que a impedância de saída seja variável, e umaondulação de tensão nos terminais do capacitor seja permitida. São apresentados nas Eqs. (1) e(2): o valor mínimo e o valor máximo da corrente no diodo Zener, de modo a garantir que ocomponente esteja trabalhando na região de operação. A Eq. (3) é útil na determinação daregulação de tensão na carga.

MINMAX

MAXMIN IoIz

VzViRs

(1)

MINMIN

MINMIN

IzRs

VzViVz

Ro

(2)

100*(%)CARGAPLENA

CARGAPLENAVAZIO

Vo

VoVoRv

(3)



O esquemático do circuito experimental é apresentado na Figura 2.

+-

Io

Vrms Lp Ls

D1 Rs

C Dz Ro

+

-

Vs

+

-

Iz

A+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

RL10k

Figura 2. Esquemático a ser montado durante o experimento.



Vrms = 220 [V] [Tensão eficaz aplicada ao primário do transformador];

Vo = 5,1 [V] [Tensão de saída regulada]; e

Po = 500 [mW] [Potência na carga].


fr = 60 [Hz] [Freqüência da rede];

Vs = 12 [V] [Tensão eficaz no secundário];

Vd = 0,70 [V] [Queda de tensão no diodo];

∆VC = 15%.VsMAX [V] [Ondulação no capacitor filtro];

IzMIN = 10% Iz; [A] [Corrente mínima no zener];

IzMAX = 60% Iz; [A] [Corrente máxima no zener];

Dz 1N4733A; [Diodo zener selecionado 5,1V/1W]; e

D1 1N4007 [Diodo selecionado].


Voltímetro (1);

Amperímetro (1);

Transformador com ponto central (+12V/+12V) (1); e

Osciloscópio (1).



a) Determinar e especificar os componentes comerciais utilizados (resistores e capacitores);

b) Conforme a Tabela 1, determinar teoricamente o valor das grandezas exigidas; e

c) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados epreencher a Tabela 2.


6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental. Mantenha a alimentação AC desligada.

b) Ligue a alimentação AC, para o circuito experimental sem carga, preencha a Tabela 1 com asespecificações dos componentes determinadas e as grandezas medidas experimentalmente.

c) Acrescentando uma carga Ro, inicialmente em um valor máximo de resistência, preencha aTabela 2 com os valores de tensão e corrente, conforme indicado nesta tabela.

Nota1: Para a carga Ro utilize um potenciômetro 2,2KΩ/1W.

Nota2: As grandezas ∆VC e VdPIV devem ser medidas utilizando o osciloscópio.

Tabela 1. Resultados experimentais I.

Especificação de Componentes

Componente Símbolo Valor do componente adotado

Capacitor C

Resistor Rs

Análise do circuito retificador de meia onda com filtro e diodo zener sem carga

CircuitoRetificador

GrandezaMétodo de análise utilizado

Simulado Experimental

-

IzMED [A]

VoMED [V]

∆VC [V]

VdPIV [V]

Tabela 2. Resultados experimentais II.

Io (mA) Vo (V) – Teórico Vo (V) – Simulado Vo (V) – Experimental

0

10,0

30,0

50,0

70,0

90,0

100,0

120,0

140,0

160,0


7. QUESTIONÁRIO

a) Determine a regulação de tensão na carga para os resultados experimentais e simulados naTabela 2 e esboce a curva de regulação de tensão na carga em função do aumento da carga.

b) A partir dos resultados da Tabela 2 traçar as curvas Vo=f(Io) (simulada e experimental) ecomente a respeito do comportamento gráfico obtido.

c) Explique o comportamento do diodo zener na região de ruptura inversa.

d) Analisando o circuito da Figura 2, suponha que o capacitor C seja retirado do circuito em umdado instante após o circuito ter atingido regime permanente. Análise e explique o comportamentodo circuito para esta situação imposta fazendo uso de simulação. Apresente as formas de onda detensão na carga.

e) Pesquise a respeito do regulador shunt programável TL431.

f) Comente a respeito do comportamento das curvas apresentadas na Figura 3.

8. APÊNDICE

Time

300ms 400ms 500ms250msI(Ro)

0A

100mA

200mAV(Ro)

0V

2.5V

5.0V

V(Rs)

7.5V

10. 0V

12. 5V

V(C)

13. 75V

15. 00V

16. 25V

Figura 3. Principais formas de onda.


PRÁTICA Nº 04 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR TBJ

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é levantar e traçar as curvas características de umtransistor de TBJ na configuração emissor-comum mediante simulação e experimentação.


Estando o Transistor Bipolar de Junção (TBJ) NPN polarizado na configuração emissorcomum, conforme ilustrado na Figura 1; um par de curvas características é necessário paradescrever o comportamento do componente nesta configuração: uma curva para o circuito deentrada ou base-emissor e a outra curva para o circuito de saída ou coletor-emissor (estas curvassão amplamente encontradas nas folhas de especificação do componente). As curvas característicassão apresentadas na Figura 2.

N

P

N

B

E

C

VBE

VCE

IC

Ib

IE

Ic

Ie

Ib

Figura 1. Notação e símbolo transistor NPN.

(a) (b)

Figura 2. Curvas características: (a) Circuito de saída e (b) circuito de entrada.

Para um ponto de operação adotado, obtido a partir da interseção entre a curva de carga euma das diferentes curvas características do circuito de saída e interno a região de operação segura,projeta-se o circuito com TBJ para diversas aplicações: corte-saturação e amplificação de sinais; éinteressante que tal ponto escolhido esteja interno a curva que limita a região de operação segura doTBJ real, tendo em vista a limitação das características externas a que o componente estejasubmetido (esforços).




Rc

Rb

Vbb

0

Q1

100k

A+-

A+ -

+

-

Ibb +

-

Icc

V Vcc

0...0.2 A

0...20 V

0...2 mA

100

Figura 3. Esquemático a ser montado durante o experimento.



Vcc = 0 a 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída];


Ibb = 20 a 80 [uA] [Corrente de base contínua aplicada a o circuito de entrada]; e

Q1 BC546 [Transistor NPN utilizado].


Voltímetro (1);

Amperímetro (2); e




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados;

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes e preencher a Tabela 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 3 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vcc e Vbb desligadas.

b) Ligue a fonte de tensão Vbb e conecte-a ao circuito de entrada de forma a polarizar a junçãobase-emissor do TBJ e regule a tensão desta fonte de modo a ajustar o valor de corrente Ibbmedida por um amperímetro ao exigido; com outra fonte de tensão Vcc variável, ligue e conecte-aao circuito de saída e regule a tensão desta fonte de modo a ajustar o valor da tensão Vce medidapor um voltímetro ao exigido e com um segundo amperímetro meça a corrente no coletor Iccobtida. Este procedimento deve ser repetido e os campos da Tabela 1 preenchidos.


c) Determinar o ganho do transistor experimentalmente.

Tabela 1. Resultados simulados e experimentais.

Corrente no coletor medida Ic (mA)

Ibb (uA)

20 40 60 80

Vce (V)

0,5

1

3

5

10

15

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar a curva de saída Ic = f(Vce) de um TBJ: experimental e simulada.

Nota1: A Figura 4 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Determine o ganho de corrente (β) para as curvas traçadas em (a) item (7).

c) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) item (7) explorando os seguintestópicos: funcionamento na configuração emissor-comum, curvas de característica de entrada esaída, ganho de corrente e limites de operação.

d) Consultando a folha de dados do TBJ adotado durante a prática, comente a respeito dasprincipais características de operação, bem como as limitações de operação.

e) Pesquise a respeito: transistores de carboneto de silício e suas aplicações.

8. APÊNDICE

Figura 4. Curva característica de saída Ic = f(Vce) simulada.

Vce(V)

Ic(V)

Ib (20uA)

Ib (40uA)

Ib (60uA)

Ib (80uA)

0V 5V 10V 15V0A

5mA

10mA

15mA

20mA Ib (100uA)


PRÁTICA Nº 05 – TBJ OPERANDO COMO CHAVE

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é projetar e analisar o funcionamento de um TBJ comochave mediante simulação e experimentação.


Fazendo uso da curva característica do circuito de saída ilustrada na Figura 1, pode-seprojetar o circuito de tal forma que o TBJ tipo NPN comporte-se como uma chave, onde se notamas regiões de operação do componente quando em corte e quando em saturado. Em regime desaturação forte, admite-se um ganho de corrente de projeto reduzido de tal forma que um pequenovalor de corrente aplicado a base sature instantaneamente o componente.

Corte

Saturação

Figura 1. Curva característica de saída.

Para um dado ponto de operação adotado, obtido a partir da interseção entre a curva decarga e a curva característica do circuito de saída, e interno a região de operação segura, projeta-seo circuito com TBJ. A Eq. (1) permite determinar o valor da resistência de base a partir de umacorrente de base considerada, da mesma forma a Eq. (2) faz-se uso da curva característica de saídapara determinar o valor da resistência Rc.

Ib

VbeVbbRb

(1)

Ib

VceVccRc SATU

.

(2)




Vcc

Rc

Rb

Vbb

0

Q1Ib-

Ic

+

+

-




Vcc = 12 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída]; e

Vbb = 2,2 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de entrada].


Hfe = β = 30 [Ganho de corrente do transistor];

Ib = 100 [uA] [Corrente de base adotada];

VceSAT = 0,3 [V] [Tensão de saturação do transistor];

fc = 10 [KHz] [Freqüência do sinal de entrada-onda quadrada]; e

Q1 BC546 [Transistor utilizado].


Osciloscópio (1);

Multímetro (1); e




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados; e

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes e preencher o Quadro 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vbb e Vcc desligadas.


b) Ligue a fonte Vbb, ajuste corretamente a sua tensão e aplique este sinal ao circuito de entrada deforma a polarizar a junção base-emissor do TBJ, mantendo assim uma corrente de baseconsiderada; com outra fonte de tensão Vcc, ajuste a tensão desta para o valor considerado, apliqueao circuito de saída e observe com o osciloscópio as formas de onda de tensão em Rc e nosterminais Coletor-Emissor. Em seguida, esboce as formas de onda experimental para as grandezasVbb, Vce e VRc no Quadro 1.

Quadro 1. Formas de onda simulada e teórica.

0

0

0

Vbb(V)

Vce(V)

VRc(V)

t( )

t( )

t( )

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as formas de onda de tensão experimental e simulada para o TBJ: Vbb, Vce e VRC.

b) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) tomando como referência ocomportamento do circuito e a curva característica do circuito de saída.

c) Determine as perdas de condução do TBJ usando a curva característica Ic = f(Vce).

d) Pesquisar a respeito dos tipos de encapsulamento.

e) Pesquisar a respeito das principais especificações do TBJ encontradas na folha de dados dosfabricantes de modo que o componente trabalhe como chave.

f) Pesquise aplicações que fazem uso do TBJ funcionando como chave.

8. APÊNDICE


PRÁTICA Nº 06 – TBJ OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o projeto e a analise do funcionamento de um TBJ tipoN como amplificador de sinais mediante simulação e experimentação.


Fazendo uso da configuração de polarização por divisor de tensão, o TBJ é capaz deamplificar pequenos sinais. Durante a etapa de projeto, uma seqüência de passos deve ser seguidade forma a facilitar a análise e a compreensão do circuito. Primeiramente, faz-se uso da análise CCcomo forma de dimensionar os valores dos componentes do circuito para um ponto de operaçãocorretamente escolhido; em seguida, fazendo uso da análise AC (análise de pequenos sinais)determinam-se os diversos parâmetros do circuito (ganho de tensão, ganho de corrente, impedânciade entrada e impedância de saída). São ilustrados nas Figuras 1(a), (b) e (c) o circuito amplificadoradotado, o circuito necessário à análise CC e o circuito adotado à análise AC (fazendo uso domodelo de pequenos sinais do TBJ), respectivamente.

Q1

Rc

Re

R1

R2R4

R3 C1

Ce

Cc

RLVi

Vcc

0

0(a)

Q1

Rc

Re

R1

R2

Vcc

0

0

+

-

(b)

RcR2R1R4

R3

RLVi

0

r.irp

B C

E

i b i o

(c)

ob b

i i

Figura 1. (a) Circuito amplificador, (b) circuito utilizado para análise CC e (c) circuito utilizadopara análise AC.

Nota1: Nota-se que ao circuito da Figura 1(a) são acrescentados os resistores 3 e 4, fato que sejustifica pela necessidade de medição da corrente de entrada no circuito durante a análiseexperimental, como forma de serem comparados os parâmetros de pequenos sinais obtidos poranálise teórica, simulação e experimento.



O esquemático do circuito experimental é tratado na Figura 2.

Q1

Rc

Re

R1

R2R41k

R3

1k

C1

10u

Ce22u

Cc

10u

RL10k

Vi

Vcc

0

0

1

2

+

-

+

- +

++-

-

-

b

c

e




Vcc = 20 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída].


Vc = 8 a 10 [V] [Intervalo de tensão média adotado em projeto];

Vth = 5 [V] [Tensão Thévenin];

Ib = 100 [uA] [Corrente de base adotada];

Pd = 0,15 [W] [Potência dissipada];

Vce = 8 [V] [Tensão de operação do transistor];

Vi = 100 [mV] [Tensão de pico a pico];

fc = 10 [KHz] [Freqüência do sinal de entrada]; e

Q1 BC546 [Transistor NPN utilizado].


Osciloscópio (1);

Gerador de função (1);

Multímetro (1); e


Nota2: Adotou-se o ponto de operação utilizando a curva característica de saída do componente,considerando a curva para um Ib (100 uA), Vce (8V) e Pd (0,15W).

Nota3: é aconselhável utilizar resistores com tolerância reduzida para os elementos R3, R4 e RL.




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados necessários a polarização CC; e


6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental proposto. Mantenha a fonte Vcc desligada.

b) Com o sinal de tensão Vi corretamente calibrado, conecte-o ao circuito de entrada de tal formaque o sinal AC aplicado ao circuito (ponto 1) seja amplificado na saída (ponto 2). Ligue e ajuste afonte de tensão Vcc ao valor indicado. Fazendo uso do osciloscópio: meça a tensão (pico a pico) noponto 1, meça a tensão (pico a pico) no ponto 2, e finalmente meça a tensão (pico a pico) sobre oresistor R3. Preencha a Tabela 1.

Tabela 1. Resultados: teórico, simulado e experimental.

Valores de tensão (pico a pico teórico, simulado e experimental) [V]


Ponto 1

Ponto 2

Resistor R3

Parâmetros do modelo de pequenos sinais


Av (ganho de tensão)

Ai (ganho de corrente)

Zi (impedância de entrada)

Zo (impedância de saída)

7. QUESTIONÁRIO

a) Apresente as formas de onda nos pontos 1 e 2 (Figura 2), e comente os resultados.

Nota4: a Figura 3 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Explique o procedimento experimental para se obter os parâmetros do modelo AC.

c) Apresente o equacionamento em forma literal referente aos parâmetros do modelo de pequenossinais para o circuito proposto na Figura 2. Faça uso deste equacionamento e obtenha osparâmetros do modelo de pequenos sinais teórico e simulado.

d) Comente e compare detalhadamente os resultados obtidos por meio da análise teórica, simulaçãoe experimento para o modelo de pequenos sinais, conforme a Tabela 1.


e) Fazendo referência a uma aplicação do TBJ como amplificador de sinais, apresente um circuitoamplificador de áudio utilizando TBJ’s e descreva o seu funcionamento.

8. APÊNDICE

Ti me

9. 0ms 9. 1ms 9. 2ms 9. 3ms 9. 4ms 9. 5msV(Col etor)

0V

5V

10V

V(ponto2)-4. 0V

0V

4. 0VV(ponto1)

-20mV

0V

20mV

Figura 3 - Formas de onda obtidas em simulação.


PRÁTICA Nº 07 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR FET

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é levantar e traçar as curvas características de umtransistor FET (MOSFET tipo intensificação) mediante simulação e experimentação.


O transistor MOSFET tipo N polarizado corretamente e o símbolo gráfico são ilustrados naFigura 1. Um par de curvas características é necessário para descrever o comportamento docomponente: uma curva de dreno e a uma curva de transferência (estas curvas são amplamenteencontradas nas folhas de especificação do componente), as quais são apresentadas na Figura 2.

D

G

ID

nn

n

P

VGS

VDS

S

SS+

-

+

-

IG=0

IS

D

S

G

Figura 1 - Polarização MOSFET tipo N e símbolo gráfico.

Figura 2 - Curvas características: (a) curva de dreno e (b) de transferência.

Para um ponto de operação adotado, obtido a partir da interseção entre a curva de carga ecurva de transferência, o circuito com FET é projetado para diversas aplicações: corte-saturação eamplificação de sinais; é interessante que tal ponto escolhido esteja interno a curva que limita aregião de operação do FET real, tendo em vista a limitação das características externas as quais ocomponente esteja submetido (esforços).




Rd

Vgs

0

Q1

A +-

Vds+

-

+

-

Id

Vcc

+

Rg

-

V-

0...0.2 A

0...20 V1Meg




Vcc = 0 a 12 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito].


Vgs = 1 a 2,1 [V] [Tensão gate-source aplicada];

Pd = 0,7 [W] [Potência dissipada no componente]; e

Q1 2N7000 [MOSFET VMOS canal N utilizado 0,35A/1W].

Os instrumentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Voltímetro (1);

Amperímetro (1); e




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados;


Nota1: Utilize as curvas apresentadas na Figura 4 de modo que as especificações e consideraçõesde projeto sejam atendidas.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 3 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vgs e Vcc desligadas.

Nota2: Verifique a disposição dos terminais do MOSFET.


b) Ligue a fonte Vgs e ajuste o sinal de tensão, aplique-o aos terminais G e S do MOSFET demodo a polarizá-lo e regule a amplitude do sinal de modo a ajustar o valor da tensão ao exigido;ligue a fonte Vcc, conecte-a ao circuito e regule a tensão desta fonte de modo a ajustar o valor datensão Vds medida por um voltímetro ao exigido e com um amperímetro meça a corrente no drenoId obtida. Este procedimento deve ser repetido e os campos da Tabela 1 preenchidos.


Corrente no coletor medida Id (mA)

Vds (V)

0 0,1 0,2 0,3 0,5 1 1,5 2 3 4

Vgs(V)

1,5

1,7

1,8

1,9

22

2,1

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as curvas Id = f(Vds) e Id = f(Vgs) do MOSFET: experimental e simulada.

Nota3: A Figura 4 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) do item (7) explorando osseguintes tópicos: polarização utilizada, curvas características e limites de operação.

c) Consultando a folha de dados do FET adotado durante a prática, comente a respeito dasprincipais características de operação, bem como os limitantes de operação.

d) Pesquise os tipos de MOSFET: MOS de sinal, DMOS, VMOS, UMOS e MOSFET de Potência.

8. APÊNDICE


Vds(V)

0V 2V 4V 6V 8V 10V0A

0.5A

1.0A

1.3A

Id(A)

Vg = 1,8V

Vg = 2V

Vg = 2,2V

Vg = 2,4V

Vg = 3V

Figura 4 - Curva característica de saída Id = f(Vds) obtida em simulação.


PRÁTICA Nº 08 – FET OPERANDO COMO CHAVE

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o projeto e a analise de um drive de acionamento de umMOSFET de potência mediante simulação e experimentação.


Uma aplicação dos transistores MOSFET de potência é bastante comum em circuitos deprocessamento de energia, onde os estados de corte e de saturação devem ser definidos. Circuitosauxiliares capazes de acionar tais chaves são necessários, de modo a permitir que circuitos de sinaiscontrolem circuitos de potência elevada.

Estando o MOSFET trabalhando como chave e aplicada uma tensão dreno-fonte maior ouigual à tensão de limiar (Vgsth), os fenômenos de armazenamento ou recombinação dos portadoresminoritários, que caracterizam os aspectos capacitivos eletrostáticos e de depleção, vão determinarseu comportamento em comutação, conforme a Figura 1. Portanto, as cargas a remover são dascapacitâncias intrínsecas, razão pela qual durante a comutação são exigidas correntes de portaelevada, quando são desejados tempos de comutação reduzidos mesmo em operação em baixafreqüência, de modo a minimizar a potência perdida na comutação. A capacitância de entrada édefinida como a soma entre as capacitâncias gate-dreno (Cgd) e gate-source (Cgs), e acapacitância de saída é a capacitância dreno-source (Cds).

M1

Cgd

Cds

Cgs

D

G

S

Figura 1 - Representação das capacitâncias intrínsecas.

A análise do circuito, apresentado na Figura 2, fundamenta-se nos estados bem definidosde corte e de saturação da chave de potência, cujo sinal de controle é gerado por um drive deacionamento. Na primeira etapa, um sinal nível alto (5V) é gerado pela fonte de tensão V1, otransistor Q2 entra em estado de saturação e passa a conduzir uma correte de coletor Ic2, o divisorde tensão formado pelas resistências R4 e R5 garante que o transistor Q3 entre em estado desaturação e conduza uma corrente Ie3, uma parcela desta corrente faz o diodo D1 conduzir, Q1entrar em estado de corte, um impulso elevado de corrente é exigido e uma tensão Vgs surge entreos terminais G e S. Na segunda etapa, um sinal de nível baixo (0V) é gerado pela fonte de tensãoV1, o transistor Q2 entra em estado de corte e não mais circulará a corrente Ic2, estando osterminais de base e emissor do transistor Q3 no mesmo potencial (15V), este estará em estado decorte, a carga armazenada no capacitor intrínseco Cgs contribui para o aparecimento de uma tensãocapaz de polarizar o transistor Q1, levando-o a saturação e drenando rapidamente a cargaarmazenada, proveniente da etapa anterior (quando saturado).




Vpulse

Q2

Q3

Q1

M1

D1

R1120

R2

22

R3

R4

R6R710k

R5

Vcc

Vcd

0

0

Ic 2

Ie3

Id ID1

D2680

+

-

+

-VC2

VE1

Vgate

Vdreno




Vcc = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de potência]; e

Vcd = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de controle].


Hfe = β = 40 [Ganho de corrente dos transistores para saturação forte];

Id1 = 400 [mA] [Corrente de gatilho];

Vbe = 0,7 [V] [Tensão da junção base-emissor];

Vpulse = 2,7 [V] [Amplitude da tensão – forma de onda quadrada – Don = 0,25];

fc = 10 [kHz] [Freqüência do sinal de entrada];

D1 UF4007 [Diodo Ultra Fast Recovery];

D2 1N5246 [Diodo zener 16V – 0,5W];

M1 IRF 540 [Mosfet de Potência];

Q2 BC546 [Transistor TBJ NPN utilizado]; e

Q1, Q3 BC327 [Transistor TBJ PNP utilizado].

Os instrumentos e equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Osciloscópio (1);

Multímetro (1);

Gerador de função (1); e






b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados eesboçar algumas formas de onda pertinentes (VC2, VE1, Vgate e Vdreno) no Quadro 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e análise dos resultados obtidos no pré-laboratório monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vcd e Vcc desligadas.

b) Com o sinal de tensão Vpulse corretamente calibrado, aplique-o ao circuito de modo a polarizara junção base-emissor de Q2, mantendo assim uma corrente de base pulsada; ligue a fonte detensão Vcd e a conecte ao circuito de controle, ajuste a tensão desta para o valor considerado everifique com o osciloscópio as formas de onda de tensão em VC2, VE1 e Vgate. Em seguida,ligue a fonte de tensão Vcc e a conecte ao circuito de potência, ajuste a tensão desta para o valorconsiderado e verifique com o osciloscópio a forma de onda de tensão em Vdreno. Esboce asformas de onda experimentais requeridas no Quadro 1.

Quadro 1. Formas de onda simulada e teórica.

0

0

0

VC2(V)

VE1(V)

Vgate(V)

t( )

t( )

t( )

0

Vdreno(V)

t( )

7. QUESTIONÁRIO


a) Traçar as formas de onda de tensão experimental e simulada: VC2, VE1, Vgate e Vdreno.

b) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) do item (7) tomando comoreferência o comportamento do circuito.

c) Determine a perda total do MOSFET em simulação.

Nota1: Procedimento para cálculo apresentado no apêndice.

d) Pesquisar a respeito dos tipos de encapsulamento para MOSFET.

e) Apresente um circuito detalhado para acionamento de MOSFET de potência (diferente doapresentado na prática) e apresente uma explicação detalhada do seu funcionamento.

f) Explique a função dos componentes D2 e R7 no circuito da Figura 3.

g) Pesquise aplicações práticas que utilizem o MOSFET funcionando como chave.

8. APÊNDICE

Cálculo das perdas para MOSFET de potência.

Time

3.14995ms 3.15000ms 3.15005ms 3.15010ms 3.15015ms 3.15020ms

0

50

100

-20

ID

VCC

DSiD ,v

VDSsat

t r0 t

(a)

(b)

Figura 3 – Perdas: (a) entrando em condução e (b) detalhes.


(a)

(b)

Time

3.479600ms 3.480000ms 3.480400ms3.479285ms 3.480796ms

0

50

100

-20

ID

VCC

DSiD ,v

VDSsat

t f0 t

Figura 4 – Perdas: (a) entrando em bloqueio e (b) detalhes.

Perdas do MOSFET em condução

Perdas na entrada em condução

Perdas do MOSFET no bloqueio

S

onDDSDeffDScondMOS

S

onD

t

DS

t

DS

Deff

DD

T

tIRIRP

T

tIdtI

Tdtti

TI

Iti

onon

22

0

2

0

2 1)(

1

)(

SrDCConMOS

t

SonMOS

DSD

CCDS

r

DD

ftIVP

dtpT

P

tvtitp

Vtv

tt

Iti

r

onMOS

MOS

2

1

1

)(

)(

0

)( )(

SfDCCoffMOS

t

SoffMOS

DSD

CCDS

f

DDD

ftIVP

dtpT

P

tvtitp

Vtv

tt

IIti

f

offMOS

MOS

2

1

1

)(

)(

0

)( )(


Perda Total do MOSFET

)()()()( offMOSonMOScondMOSTotalMOS PPPP


PRÁTICA Nº 09 – FET OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o projeto e a analise do funcionamento de um MOSFETcanal N como amplificador de sinais mediante simulação e experimentação.


Fazendo uso da configuração de polarização por divisor de tensão, o MOSFET é capaz deamplificar pequenos sinais. Durante a etapa de projeto, uma seqüência de passos deve ser seguidade forma a facilitar a análise e a compreensão do circuito. Primeiramente, faz-se uso da análise CCcomo forma de dimensionar os valores dos componentes do circuito para um ponto de operaçãocorretamente escolhido; em seguida, fazendo uso da análise AC (análise de pequenos sinais)determinam-se os diversos parâmetros do circuito (ganho de tensão, ganho de corrente, impedânciade entrada e impedância de saída). São ilustrados nas Figuras 1(a), (b) e (c) o circuito amplificadoradotado, o circuito necessário à análise CC e o circuito adotado á análise AC (fazendo uso domodelo T com resistência rO), respectivamente.

Q1

Rd

Rs

R1

R2R4

R3 C1

Cs

Cd

RLVi

Vcc

0

0(a)

Rd

Rs

R1

R2

Vcc

0

0

+

-

(b)

Q1

RdR2R1R4

R3

RLVi

0

ro

G D

S

i g

(c)

1 / g m

i dii= 0i i

Figura 1 - (a) Circuito amplificador, (b) circuito utilizado para análise CC e (c) circuito utilizadopara análise AC.

Nota: Nota-se que ao circuito da Figura 1(a) são acrescentados os resistores 3 e 4, fato que sejustifica pela necessidade de medição da corrente de entrada no circuito durante a análiseexperimental, como forma de serem comparados os parâmetros de pequenos sinais obtidos porexperimento, simulação e análise teórica.



O esquemático do circuito experimental é tratado na Figura 2.

Rd

Rs

R1

R2R41k

R3

1k

C1

10u

Cs22u

Cd

10u

RL10kVi

Vcc

0

0

1

2

+

-

+

- +

++-

-

-

G

D

S

Q1




Vcc = 20 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída].


Vd = 8 a 10 [V] [Intervalo de tensão média adotado em projeto];

Vgs = 1,8 [V] [Tensão no gate-source];

Pd = 0,7 [W] [Potência dissipada no MOSFET];

Vds = 8 [V] [Tensão de saturação do MOSFET];

Vi = 100 [mV] [Tensão de pico a pico];

fc = 10 [KHz] [Freqüência do sinal de entrada]; e

Q1 2n7000 [MOSFET VMOS canal N utilizado].


Osciloscópio (1);

Gerador de função (1);

Multímetro (1); e


Nota1: Adotou-se o ponto de operação utilizando a curva característica de saída do componente,considerando a curva para um Vgs (1,8V) e Vds (8V).

Nota2: é aconselhável utilizar resistores com tolerância reduzida para os elementos R3, R4 e RL.




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados necessários a polarização CC; e


6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental proposto. Mantenha a fonte Vcc desligada.

b) Com o sinal de tensão Vi corretamente calibrado, conecte-o ao circuito de entrada de tal formaque o sinal AC aplicado ao circuito (ponto 1) seja amplificado na saída (ponto 2). Ligue a fonteVcc. Fazendo uso do osciloscópio: meça a tensão (pico a pico) no ponto 1, meça a tensão (pico apico) no ponto 2, e finalmente meça a tensão (pico a pico) sobre o resistor R3. Preencha a Tabela 1.

Tabela 1. Resultados: teórico, simulado e experimental.

Valores de tensão (pico a pico teórico, simulado e experimental) [V]


Ponto 1

Ponto 2

Resistor R3

Parâmetros do modelo de pequenos sinais


Av (ganho de tensão)

Ai (ganho de corrente)

Zi (impedância de entrada)

Zo (impedância de saída)

7. QUESTIONÁRIO

a) Apresente as formas de onda experimentais nos pontos 1 e 2 (Figura 2), e comente os resultados.

Nota: a Figura 3 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Explique o procedimento experimental para se obter os parâmetros do modelo AC.

c) Apresente o equacionamento em forma literal referente aos parâmetros do modelo de pequenossinais para o circuito proposto na Figura 2. Faça uso deste equacionamento e obtenha osparâmetros do modelo de pequenos sinais teórico e simulado.

d) Comente e compare detalhadamente os resultados obtidos por meio da análise teórica, simulaçãoe experimento para o modelo de pequenos sinais, conforme a Tabela 1.

e) Fazendo referência a uma aplicação do MOSFET como amplificador de sinais, apresente umcircuito amplificador de áudio utilizando MOSFET e descreva o seu funcionamento.


8. APÊNDICE

Time

9.0ms 9.2ms 9.4ms 9.6ms 9.8ms 10.0msV(dreno)

4V

8V

12VV(ponto2)

-4.0V

0V

4.0VV(ponto1)

-40mV

0V

40mV

Figura 3 - Formas de onda obtidas em simulação.


PRÁTICA Nº 10 – CIRCUITOS COM AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é levantar e traçar a curva de ganho em freqüênciareferente à dinâmica de um amplificador operacional (AMP-OP) real e verificar não idealidades.


Um amplificador operacional ideal é um amplificador de alto ganho, com banda-passanteilimitada. O amplificador operacional real é normalmente construído recorrendo à utilização desub-circuitos, compostos por transistores TBJ e ou FET como componentes ativos, de modo areunir em uma única pastilha circuitos elaborados. Algumas limitações de ordem física (ganhoinfinito, necessidade de correntes ou tensões de polarização, realimentação e não linearidades, entreoutros) vão condicionar as características de operação estável. Circuitos de compensação internasão projetados de modo a reduzir o ganho em malha aberta (AVD) com o aumento da freqüência,garantindo assim a estabilidade. Em aplicações práticas, é comum o uso de componentes passivos(resistores e capacitores, entre outros) conectados externamente ao AMP-OP, de modo a reduzir oganho de tensão do circuito a um valor bastante reduzido (ganho em malha fechada, ACE),acarretando assim a uma série de benefícios como: o ganho de tensão do amplificador é maisestável e preciso, o qual é estabelecido por componentes externos; a impedância de entrada docircuito assume um valor maior em relação ao AMP-OP isolado; a impedância de saída do circuitoassume um valor menor em comparação ao AMP-OP isolado; e a resposta em freqüência docircuito ocupa uma faixa maior do espectro de freqüência.

O gráfico do ganho em função da freqüência (Av = f(fs)) obtido a partir de um circuito comAMP-OP, ilustrado na Figura 1, trata o comportamento do ganho de tensão, quando um sinal detensão senoidal com amplitude definida e freqüência variável é aplicado à entrada. A freqüência étratada no eixo das abscissas em escala logarítmica e o ganho é tratado no eixo das ordenadas em[V/V]; comumente o ganho é tratado em decibéis [dB], conforme a Eq. (1).

0

Av [V/V]

fs [Hz]fc

0,707.A VD

AVD

f11

Figura 1 - Gráfico do ganho em função da freqüência.

|)log(|.20Vi

VoAv (1)

Nota-se na Figura 1, que em baixas freqüências, próximo à operação DC (abaixo de fc), oganho é dado por AVD, a freqüência de corte (fc) do AMP-OP é definida para 70,7% do ganho DC ea freqüência para ganho unitário (f1) ocorre para a tensão de saída igual à tensão de entrada.




LM741+3

-2

V+7

V-4

6RL

RF

R010k

0

Vsin

00

Vcc

Vcc0+

-

+

-

Vi VoC1




Vcc = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito].


Vsin = 1 [V] [Tensão de pico a pico do sinal senoidal];

fs = 100 a 1M [Hz] [Freqüência do sinal senoidal]; e

C1 LM 741 [AMP-OP utilizado].


Multímetro (1);

Osciloscópio (1);





a) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes e preencher a Tabela 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vcc desligadas.

Nota1: é aconselhável utilizar resistores com tolerância reduzida para os elementos RF e RL.


b) Utilizando as resistências RF=10kΩ e RL=1kΩ, aplique ao ponto (Vi) o sinal de tensão senoidalcom tensão pico-a-pico constante e freqüência definida na Tabela 1. Ligue as fontes Vcc e meça atensão no ponto Vo com o osciloscópio e determine a resposta em freqüência para o ganho doAMP-OP (Av).

c) Obtenha a freqüência de corte (fc) e a freqüência para ganho unitário (f1) do AMP-OP.

d) Repetir os passos (b) e (c) do item (6), para as resistências RF=22kΩ e RL=1kΩ.


Fs (Hz) 100 300 700 1k 3k 7k 10k

Vi (Vpp)

Vo (Vpp)

Av (V/V)

Av (dB)

Fs (Hz) 30k 70k 100k 200k 300k 700k 1M

Vi (Vpp)

Vo (Vpp)

Av (V/V)

Av (dB)

Fc (Hz) F1 (Hz)

Nota: A Tabela 1 deve ser replicada para cada circuito experimental.

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as curvas de ganho Av [dB] = f(fs [Hz]) (gráfico de ganho) para os passos (b) e (d) doitem (6): experimental e simulada.

b) Comparar as curvas de ganho traçadas em (a) item (7) (indicando valores de freqüência de corte)com aquela esperada para o modelo real do amplificador operacional (folha de dados) e comentedetalhadamente seus resultados.

c) Explique o comportamento das formas de onda apresentadas na Figura 3.

d) Consultando a folha de dados do AMP-OP adotado durante a prática e comente a respeito dasprincipais características de operação, bem como os limites de operação.

e) Para AMP-OP defina os principais parâmetros relacionados: ganho diferencial, ganho de modocomum, largura de banda, impedância diferencial de entrada, impedância de saída, máxima taxa decrescimento da tensão de saída e tensão de desvio de entrada.

f) Explique o procedimento experimental para se obter o gráfico de fase.

g) Consultando a folha de dados dos AMP-OP’s: LM741 e LM311; faça um comparativo entre assuas características e indique aplicações específicas mais adequadas ao uso destes (baseado noroteiro desta prática).

8. APÊNDICE


Ti me

450ms 460ms 470ms 480ms 490ms 500ms

-5. 0V

0V

5. 0V

Ti me

912. 00us 914. 00us 916. 00us910. 82us

Vi (1Vpp) Vo

-500mV

0V

500mV

Frequência de 100 Hz

Frequência de 1 MHz

Vi (1Vpp) Vo

Figura 3 – Formas de onda obtidas em simulação (com RF=10kΩ e RL=1kΩ) para as frequênciasde 100 Hz e 1 MHz.


PRÁTICA Nº 11 – APLICAÇÕES PRÁTICAS COM LM741

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é analisar e verificar o comportamento do amplificadoroperacional (AMP-OP) em diferentes aplicações mediante simulação e experimentação.


Diversos circuitos analógicos e circuitos digitais fazem uso AMP-OP em aplicações queexigem a manipulação de sinais, tais como: comparação, amplificação e integração, entre outras; demodo a explorar suas características construtivas.

Um modelo equivalente de um AMP-OP ideal, descrito por um circuito esquemático, éilustrado na Figura 1. Verificam-se alguns elementos essenciais ao modelo ideal: impedância deentrada (Ri), impedância de saída (Ro) e o ganho de tensão (Av).

-+ +

-

Av

GAIN = 200

Ri2e6

Ro

750

V-

V+

Vo

E

Figura 1- Modelo ideal LM 741.

Como forma de limitar o ganho componente em malha aberta elementos externos sãoconectados ao AMP-OP, contribuindo assim para um ganho limitado em malha fechada. Éapresentado na Figura 2 um modelo equivalente ao modelo real do LM741 utilizado em simulação.

U1

LM741

+3

-2

V+7

V-4

OUT 6

OS11

OS25

Figura 2- Modelo simulado referente ao LM 741.

Portanto, o LM741 integra uma grande variedade de circuitos clássicos de modo a seremexploradas suas características de operação. Os seguintes circuitos a serem experimentados sãocitados: seguidor, comparador, amplificador inversor, amplificador não-inversor e somadorinversor, entre outras combinações.




+3

-2

4

6

1

5

V-

V+

Va Ro10k

0

7

(a)

Vo1+

3

-2

7

4

6

1

5

V-

V+

Vb Ro10k

0

Va

(b)

Vo2

+3

-2

7

4

6

1

5

V-

V+

RF

RL

0

Va

Ro10k

0(c)

Vo3

V-

+3

-2

7

4

6

1

5

V+

RF

RL

Va Ro10k

0

0

(d)

Vo4

V-

+3

-2

7

4

6

1

5

V+

RF

RL2

0

Vb

Ro10k

0

RL1Va

(e)

Vo5 0

V-

+3

-2

7

4

6

1

5

V+

Ro10k

0

Vcc

Vcc-

-

+

+

(f)

Vo

Figura 3. Esquemáticos a serem montados durante o experimento: (a) seguidor, (b) comparador,(c) amplificador inversor, (d) amplificador não-inversor, (e) somador inversor e (f) detalhe da

alimentação do integrado.




Vcc = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito]; e

Av = 2 [V/V] [Ganho dos circuitos].


C1 LM 741 [AMP-OP utilizado];

Va = 6 [V] [Tensão de pico a pico do sinal senoidal];

fa = 1 [kHz] [freqüência do sinal Va]; e

Vb = -2 [V] [Tensão contínua].


Voltímetro (1);

Osciloscópio (1);






b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes no Quadro 1.

Nota1: Utilize um potenciômetro 2,2KΩ/1W para obter a tensão contínua Vb.

Nota2: Adote valores para as resistências acima de 10KΩ.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte os circuitos experimentais propostos. Mantenha as fontes Vcc desligadas.

b) Ligue as fontes Vcc, para o circuito (a) da Figura 2 trace no Quadro 1 a forma de onda Vo1.

c) Para o circuito (b) da Figura 2 trace no Quadro 1 a forma de onda Vo2.

d) Para o circuito (c) da Figura 2 trace no Quadro 1 a forma de onda Vo3.

e) Para o circuito (d) da Figura 2 trace no Quadro 1 a forma de onda Vo4.

f) Para o circuito (e) da Figura 2 trace no Quadro 1 a forma de onda Vo5.

Quadro 1. Forma de onda simulada e forma de onda experimental.


0

0

0

Vo1(V)

Vo2(V)

Vo3(V)

t( )

t( )

t( )

0

Vo4(V)

t( )

0

Vo5(V)

t( )

7. QUESTIONÁRIO

a) Apresente as formas de onda experimentais e simuladas obtidas.

b) Para cada um dos circuitos apresentados na Figura 2 determine a expressão para o ganho detensão (Av) em forma literal, em função das tensões aplicadas às portas e resistências do circuito.

c) Para os resultados experimentais e simulados obtidos, faça um breve comentário.

d) Utilizando o modelo ideal do LM741 apresentado na Figura 1, apresente e justifique osresultados de simulação obtidos referente ao esquemático (e) da Figura 3.

e) Para o circuito do amplificador diferencial apresentado na Figura 4 (também conhecido comoamplificador diferenciador de instrumentação), determine a expressão que relaciona a tensão desaída (Vo) em função da corrente (Is) e das resistências do circuito.

f) Para o circuito do amplificador diferencial apresentado na Figura 4, supondo uma corrente Iscapaz de variar de 0 a 1A, determine as resistências do circuito de modo que a tensão na saída Vopossa variar de 0 a 10 V (proporcional a variação da corrente) e valide seus resultados obtidos porsimulação (adote Rs = 1Ω e as demais resistências valores acima de 10kΩ).


R5

Rs

0

U1

+3

-2

7

4

6

0

+Vcc

R2

R4

R3

R1Vb

Va

Is

0

Vo

Figura 4- Amplificador diferenciador de instrumentação.


PRÁTICA Nº 12 – FILTROS ATIVOS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é analisar e verificar o comportamento dos diferentesfiltros ativos mediante simulação e experimentação.


Diversos circuitos de potência e circuitos de sinais fazem uso de filtros. Os filtros sãocircuitos adicionais, cuja função é permitir a banda passante em determinadas faixas de freqüênciae atenuar as demais, de modo a limitar e ou definir a sua dinâmica característica ao longo doespectro de freqüência. Os filtros ativos utilizam um Amplificador Operacional (AMP-OP), que éacrescido ao filtro RC (filtro passivo), cuja função é ajustar o ganho e isolamento de sinal, de modoa manter as características em freqüência do filtro passivo constante.

São apresentadas na Figura 1 as características de resposta em freqüência pertencentes aosfiltros de 1ª ordem: passa-baixas e passa-altas; na Figura 2 são mostrados os esquemáticos doscircuitos respectivos; e as Eqs. (1) e (2) definem a freqüência de corte (fc) do filtro RC e o ganhode tensão DC do amplificador operacional (AvAO).

1 0 1 0 0 1 .1 03

1 .1 0 4 1 .1 05

4 0

2 0

0

2 0

4 0

5 0

0

9 0

2 0

0

2 0

0

5 0

1 0 0

1 0 1 0 0 1 .1 03

1 .1 0 4 1 .1 05

1 0 1 0 0 1 .1 03

1 .1 0 4 1 .1 05 1 0 1 0 0 1 .1 0

31 .1 0 4 1 .1 0

5

(a) (b)fase

módulo

fase

módulo

Figura 1- Resposta em freqüência para os filtros ativos: (a) passa-baixas e (b) passa-altas.

CRfc

...2

1

(1)

RL

RFAvAO 1 (2)


O filtro passa-baixas permite a passagem apenas das componentes do sinal com freqüênciaabaixo da freqüência de corte e o filtro passa-altas permite a passagem apenas das componentes dosinal com freqüência acima da freqüência de corte. É notado na Figura 1 ganho de tensão unitário.



+3

-2

V+7

4

6

+VCC

-VCC

RL RF

R

CRo

00

0

Vsin

0

Vcc

Vcc

-VCC

+VCC

0+3

-2

V+7

V-4

6

-VCC

+VCC

RL RF

R

C

Ro10k

0

0

00

V-

10kVsin

(a) (b)

Vi

Vi'

Vi

Vi'VoVo

C1 C1




Vcc = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito].


Vsin = 1 [V] [Tensão de pico a pico do sinal senoidal];

fs = 100 a 1M [Hz] [Freqüência do sinal senoidal]; e

C1 LM 741 [AMP-OP utilizado].

Nota1: Adotar RF = 10kΩ e RL = 1kΩ.


Voltímetro (1);

Osciloscópio (1);





a) Identificar na Figura 2, o tipo de filtro (passa-baixas ou passa-altas).

b) Determinar a freqüência de corte (fc) do filtro e a freqüência de ganho unitário (f1) do conjuntoAMP-OP mais filtro RC (filtro ativo) para cada configuração.


c) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes e preencher a Tabela 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte os circuitos experimentais propostos. Mantenha as fontes Vcc desligadas.

Nota2: é aconselhável utilizar resistores com tolerância reduzida para os elementos RF e RL.

b) Utilizando C=1 nF e R=10 kΩ, aplique ao ponto (Vi) o sinal de tensão senoidal com tensão pico-a-pico constante e freqüência definida na Tabela 1, meça a tensão nos pontos Vo e Vi’ com oosciloscópio e determine a resposta em freqüência para o ganho do filtro ativo (Av).

c) Verifique as freqüências de corte (fc) do filtro e ganho unitário (f1) do filtro ativo.

d) Repetir os passos (b) e (c), com C=1 nF e R=22 kΩ para ambos os circuitos.


Fs (Hz) 100 300 700 1k 3k 7k 10k

Vi’ (Vpp)

Vo (Vpp)

Av (V/V)

Av (dB)

Fs (Hz) 30k 70k 100k 200k 300k 700k 1M

Vi’ (Vpp)

Vo (Vpp)

Av (V/V)

Av (dB)

Fc (Hz) F1 (Hz)

Nota3: A Tabela 1 deve ser replicada para o cada circuito experimental.

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as curvas de ganho Av = f(fs) para os passos (b) e (d) referente ao filtro ativo e o filtroRC: experimental e simulada.

b) Comparar as curvas de ganho traçadas em (a) com aquela esperada para o modelo real doamplificador operacional (folha de dados) e comente a influência do AMP-OP durante a análise doganho do filtro ativo.

c) Pesquise a respeito de três aplicações em circuitos eletrônicos que exijam o uso de filtros ativos.

d) Projete um filtro ativo passa-altas e considerando um dado ponto de operação apresente: ocomportamento da resposta em freqüência (módulo e fase), o circuito proposto, determinação dafreqüência de corte, especificação dos componentes comerciais e comente seus resultados.

Nota4: É tratado na Planilha 1 do Apêndice o projeto de um filtro passa-baixas.

8. APÊNDICE


PLANILHA 1: Projeto de um filtro passa-baixas.

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

20

0

20

20 log Vo s( )

0

150

100

50

0

180

arg Vo s( )

90

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

R1 56K (Resistência para ajuste do ganho)

R2 56K (Resistência para ajuste do ganho)

f 20000 [Hz] (Componente de freqüência máxima do sinal)

1. Adotando freqüência de corte (foh) abaixo de uma década

foh f 101 foh 2 10

3 [Hz]

2. Para Rt = 1K determina-se o valor da capacitância

Rt 1000 []

Co1

2 Rt foh Co 7.958 10

8 [F]

3. A partir da função de transferência do filtro passa-baixas

Vo s( ) 1R2

R1

1

1 Co Rt s j

fohf

10


PRÁTICA Nº 13 – FONTE AUXILIAR REGULADA A TRANSISTOR COM PROTEÇÃODE CURTO-CIRCUITO

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é dimensionar os componentes de uma fonte auxiliarregula a transistor, ajustar a proteção de curto-circuito, e verificar os resultados obtidos mediantesimulação e experimentação.


A maioria das fontes de baixa potência utiliza a tensão regulada em um diodo zener paraalimentar cargas resistivas. A fonte de tensão regulada a diodo zener utiliza um resistor de potênciaem série, capaz limitar a corrente fornecida à carga e ao diodo, de tal forma que a tensão na saídapermaneça constante, desde que sejam obedecidas as especificações de projeto. Algumasdesvantagens obtidas nesta fonte podem ser citadas: perdas no resistor de potência, perda daregulação com aumento da carga e aplicação limitada aos circuitos de sinais, entre outras. Com osimples acréscimo de um transistor TBJ, uma pequena corrente regulada injetada na base pode seramplificada no termina de coletor e controlar a corrente drenada por uma carga; diferentes circuitosauxiliares podem ser desenvolvidos como forma de tornar o dispositivo mais robusto, onde sãocitados: circuito de proteção contra curto-circuito, proteção contra sobre tensão e circuitos comrealimentação em tensão/corrente, diversos outros.

O princípio de funcionamento da fonte regulada a transistor com proteção de curto-circuitoé ilustrado pelo diagrama de blocos na Figura 1, onde a tensão na saída é amostrada por umcircuito, que provê uma tensão de realimentação para ser comparada com uma tensão de referência,que resulta na atuação de um elemento de controle.

Ve(entradanão-regulada)

Elemento de controle

Circuito de amostragem

Circuito comparador

Tensão dereferência

Vo(saídaregulada)

Figura 1 – Diagrama de blocos de uma fonte regulada a transistor.

O circuito de proteção contra curto-circuito é projetado de modo que a corrente fornecida àcarga não ultrapasse a especificação de projeto. Quando um curto-circuito ocorre, o aumento dacorrente provoca um aumento da queda de tensão na resistência série (Rs), de modo que o aumentoda tensão na junção base-emissor polariza o transistor de proteção (Q2), o qual é capaz de drenarparte da corrente de regulação do zener, de modo a manter a corrente de carga sempre constante.

Para a correta escolha dos componentes do circuito são estabelecidos alguns critérios: olimite de potência dissipada nos componentes não deve ser excedido, o valor da resistência de R3deve ser fixado acima de 10kΩ e o valor da resistência de R1 deve ser determinado de modo agarantir que o diodo opere na região de regulação. Sendo assim, os demais elementos devem serdeterminados.




R2

R1

Q2

C1

10uF

0

Ve

R3

D1

Q1

18k

Led

Rs

Io

Ro

+A

+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

-

D2

15

D3

R410k




Ve = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito];

Vo = 10 [V] [Tensão na saída];

Po = 0,5 [W] [Potência de saída]; e

Icc = 60 [mA] [Corrente de curto circuito].


β = 150 [Ganho do TBJ Q1];

Q1 BD139 [Transistor de ganho];

Q2 BC546 [Transistor de proteção – operando como chave];

D1 D1N5240 [Diodo Zener 10V/0,5W]; e

D2, D3 1N4148 [Transistor standard].


Voltímetro (1);

Amperímetro (1); e




a) Determinar e especificar os resistores utilizados; e



6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha a fonte Ve desligada.

b) Ligue a fonte Ve e com um amperímetro conectado a carga, ajuste a corrente de saída para osvalores definidos na Tabela 1, meça a tensão na carga (Ro) e preencha a Tabela 1.

Nota1: Para a carga Ro utilize um potenciômetro 10KΩ/1W.


Io (mA) 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80

Vo (V)

Simulado

Vo (V)

Experimental

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as curvas de ganho Vo = f(Io): experimental e simulada.

b) Comparar as curvas traçadas em (a) do item (7) e explique seus resultados.

c) Explique detalhadamente o comportamento dos componentes internos à fonte quando um curto-circuito é aplicado à saída. Justifique sua resposta por meio de simulação.

d) Apresente o procedimento de cálculo necessário à especificação dos componentes do circuito.

e) Comente a função dos diodos D2 e D3 no circuito.

f) Pesquise a respeito da configuração Darlington e de que forma ela pode ser aplicada ao circuitoda Figura 2.

g) Explique o comportamento do circuito apresentado na Figura 3, ressaltando a função de cadacomponente do circuito.

8. APÊNDICE

R1

Dz

Q1

Q2

Rsc

R2

R3

RL+

-

0

+VCC

-VCC

0 0

Ve Vo

U1

Figura 3 – Circuito limitador de corrente com AMP-OP.


PRÁTICA Nº 14 – CIRCUITOS REGULADORES INTEGRADOS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é realizar uma aplicação dos circuitos reguladoresintegrados no projeto de uma fonte de tensão simétrica e verificar os resultados obtidos mediantesimulação e experimentação.


Os circuitos reguladores de tensão integrados são capazes de transferir de forma bastanteeficiente a potência para a carga alimentada, onde tal transferência se dá por pulsos de tensão quesão filtrados de modo a produzir uma tensão CC uniforme. É tratada na Figura 1 uma representaçãoem blocos do regulador de tensão com três terminais, comumente encontrada.

Carga

Io

Correntede carga

Regulador de tensão

IN OUT

GND

Tensão desaída regulada

Vo

+

-

+

-

Tensãode entrada

Ve

não-regulada

Tensão diferencialsaída-entrada

Figura 1 - Representação em blocos do regulador de tensão de três terminais.

Uma fonte de tensão simétrica pode ser projetada, utilizando-se um transformador comderivação conectado à rede AC, de modo que a tensão seja reduzida a um nível de amplitudedesejada, retificada, filtrada e finalmente regulada fazendo uso de um circuito regulador integrado.



C2

IN1 OUT 2GND

3

C1

+ 3

- 2

V+7

V-4

6

Q1

R14.7k

R24.7k0

0

C11u

C2100n

Vcc

Vcc

0 0

+VCC

-VCC +VCC

-VCC

+

-

+

-

Io1

Ro

+A

+

0...0.2 A

Vo1

+

-

V0...20 V

Ro Vo2

-

+

V0...20 V

-Io2A

+

0...0.2 A

R310k

R410k





Vcc = 12 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito];

Vo = 5 [V] [Tensão na saída - simétrica]; e

Po = 0,5 [W] [Potência em uma única saída].


C1 LM741 [Amplificador operacional];

C2 LM7805 [Regulador integrado]; e

Q1 BD136 [Transistor de potência].


Voltímetro (2);

Amperímetro (2); e






6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vcc desligadas.

b) Ligue as fontes Vcc. Com um amperímetro conectado a carga, ajuste a corrente de saída para osvalores definidos na Tabela 1, meça a tensão na carga (Ro) e preencha a Tabela 1.

Nota1: Para a carga Ro utilize um potenciômetro 1KΩ/1W.


Io (mA) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Vo1 (V)simulado

Vo2 (V)simulado

Vo1 (V)experimental

Vo2 (V)experimental


7. QUESTIONÁRIO

a) Explique detalhadamente o comportamento do circuito e trace as curvas Vo=f(Io): simulada eexperimental para cada uma das saídas.

b) Comparar as curvas traçadas em (a) do item (7) e explique seus resultados.

c) Consultando a folha de dados do regulador LM7805 adotado durante a prática, comente arespeito das principais características de operação, bem como os limites de operação.

d) Utilizando um único regulador LM7805, como é possível obter na saída uma tensão reguladasuperior a 5V? (dica: pesquise na folha de dados do componente).

e) Para uma tensão Vcc = 5V refaça o Procedimento, tópico (6), apresente e comente os resultadosde simulação obtidos.

f) Fazendo uso do regulados ajustável LM317, um circuito proposto a ser simulado é apresentadona Figura 3. Determine as resistências de ajuste (Radj) e de carga (Ro) para uma tensão de saída (Vo)de 10V e potência drenada pela carga de 5W. Fazendo uso de simulação, apresente as formas deonda Vo e Io e comente seus resultados.

8. APÊNDICE

U1

LM317K

IN2

OUT3

ADJ

1

Radj

R1240

D21N4148

Cadj1n

D1

1N4148

C10.1u

C2

1u

Vcc

20Vdc

0

V1 TD = 90m

TF = 10mPW = 100mPER = 490m

V1 = 9

TR = 290m

V2 = 0R2

10k

Ro

Vo

+

-

Io

Figura 3 – Circuito com regulador ajustável LM311.


PRÁTICA Nº 15 – MODULAÇÃO PWM COM LM 555

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é realizar uma aplicação com o integrado LM 555 naconfiguração astável, e verificar os resultados obtidos mediante simulação e experimentação.


O integrado LM 555 é um dispositivo bastante estável na obtenção de osciladores etemporizadores. Utilizado em uma aplicação de temporizador, o tempo pode ser precisamentemensurado por resistores e capacitores externos. Na operação astável como oscilador, a freqüênciade operação e a razão cíclica são controladas por dois resistores externos e um capacitor. O circuitopode ser sincronizado e resetado por formas de onda retangular. O circuito de saída possui ma fontede corrente limitada a 200 mA ou um drive para circuitos TTL (dependendo do modelo).

Algumas aplicações com este integrado são citadas: precisão no tempo, geração de pulsos,tempo seqüencial, geração de tempo deslocado (adiantados ou atrasado), modulação por largura depulso, modulação por posição de pulso e gerador de rampa linear, entre outras.

Fazendo uma aplicação do integrado no modo astável, é ilustrada na Figura 1 aconfiguração externa das resistências, nota-se que o tempo de carga do capacitor (C) é dado pelasresistências R1+R2 e o tempo de descarga dado pela resistência R2; estes tempos de carga e descargasão tratados nas Eqs. (1) e (2), respectivamente; verifica-se que a mínima razão cíclica é limitada a50% e o período total de oscilação é tratado na Eq. (3).

3

2

4 87

6

51

R1

R2

LM555

C

10nF

0

+Vcc

RL

RL

Figura 1 – Modo astável.

Nesta prática, é feita uma aplicação do LM 555 em modo astável, cuja função é adicionarimpulsos em alta freqüência ao sinal de controle gerado externamente. Esta aplicação é bastanteútil no acionamento de drives de potência isolados por transformador de pulso, de modo que o sinalgerado externamente apresenta impulsos em alta freqüência, contribuindo assim para a redução nasdimensões do transformador e a modificar as características do núcleo. O circuito apresentado naFigura 2 é obtido a partir da Figura 1 e é utilizado em drives de potência.

Analisando a Figura 2, quando o sinal de acionamento é gerado, um nível lógico alto detensão é aplicado ao pino 4 (habilita o LM); os resistores R1 e R2, e o capacitor C 1 definem afreqüência de operação e a razão cíclica, definidos nas Eqs. (4) e (5), respectivamente; a descargado capacitor C1 ocorre rapidamente pelo diodo D2 gerando um impulso, de modo que maisimpulsos sejam inseridos toda vez que o capacitor descarrega até que o sinal aplicado ao pino 5 váa nível lógico baixo.


CRRt )..(693.0 211 (1)

CRt ..693.0 22 (2)

CRRttT ).2(.693.0 2121 (3)

21

2

.21

RR

RD

(4)

121 )..2(

44.1

CRRf

(5)



LM555

1

2

3

4

5

6

78

D1

R2

D2

R1

R310KC1 C2

1n

0

0

00

Vcc

0

Vpulse

0

M1

Vout




Vcc = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito];

fc = 40 [kHz] [Freqüência do sinal de chaveamento]; e

D > 98 [%] [Razão cíclica requerida ao sinal chaveado].


VPULSE = 2,5 [V] [Amplitude do sinal externo];

fPULSE = 120 [Hz] [Freqüência do sinal externo];

DPULSE = 40 [%] [Razão cíclica do sinal externo];

D1 e D2 1N4148 [Diodos utilizados]; e

M1 LM555 [Integrado temporizador].



Osciloscópio (1);


Fonte de tensão CC regulável (1).





6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha a fonte Vcc desligada.

Nota: as formas de onda experimentais obtidas a seguir são úteis na resolução do item 7 letra (b).

b) Ligue a fonte Vcc. Conecte uma das ponteiras do osciloscópio no pino 6 do integrado, observe aforma de onda, meça os tempos de carga e descarga do capacitor C1, e preencha a Tabela 1.

c) Conecte uma das ponteiras do osciloscópio no pino 3 (Vout) do integrado, conecte a outraponteira do osciloscópio no pino 4 (VPULSE), observe o que acontece, meça a razão cíclica e afreqüência do sinal experimental na saída (Vout), e preencha a Tabela 1.

Tabela 1. Resultados teóricos, simulados e experimentais.

Comportamento da forma de onda da tensão no capacitor (C1)


Tempo de carga (tC)

Tempo de descarga (tD)

Comportamento da forma de onda da tensão no resistor (R3)


Razão cíclica (D)

Freqüência do sinalchaveado (fc)

7. QUESTIONÁRIO

a) Explique detalhadamente o comportamento do circuito.

b) Explique o comportamento das formas de onda obtidas durante o item 6 letras (b) e (c), ecompare com as formas de ondas simuladas equivalentes .

c) Consultando a folha de dados do regulador LM555 adotado durante a prática, comente a respeitodas principais características de operação, bem como os limites de operação.

d) Utilizando um único regulador LM555 na configuração astável, como é possível obter na saídaum sinal com razão cíclica inferior a 50% (dica: pesquise na folha de dados do componente).


e) Pesquise uma aplicação (fora a mencionada no item 2) que utilize o LM 555 em um gerador derampa linear.

8. APÊNDICE

Ti me

0s 50ms 100msV(out)

-10V

0V

10V

20VV(pul se)

0V

1. 0V

2. 0V

3. 0V

Ti me

92. 00ms 94. 00ms91. 25ms 95. 25msV(out)

-10V

0V

10V

20VV(pul se)

0V

1. 0V

2. 0V

3. 0V

Figura 3 – Formas de onda: Vpulse e Vout.


ESTRUTURA PARA FORMATAÇÃO DOS RELATÓRIOS

apostila eletronica analogica-ufpi-v1 0

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