PRTICA 02 DIODOS

RETIFICADORES DE MEIA ONDA E DE

ONDA COMPLETA

Alunos: Alexandre Rodrigues

Arthur Ribeiro

Daniel Ferrareis

Igor Natividade

Professora: Sarah Jorge

Fevereiro de 2016

Joo Monlevade

Universidade Federal de Ouro Preto

Instituto de Cincias Exatas e Aplicadas

Curso de Engenharia Eltrica - Campus Joo Monlevade

Sumrio 1. Introduo ...................................................................................................................... 3

2. Objetivo .......................................................................................................................... 4

3. Materiais utilizados ........................................................................................................ 5

4. Reviso Bibliogrfica ...................................................................................................... 6

4.1. Diodo Semicondutor ................................................................................................. 6

4.2. Polarizao Direta .................................................................................................... 8

4.3. Polarizao Inversa .................................................................................................. 8

4.4. Curva caracterstica de um diodo ............................................................................. 9

4.5. Diodo Zener ........................................................................................................... 10

4.6. Diodos funcionando como retificadores de onda ..................................................... 12

5. Roteiro prtico e resultados ................................................................................................. 16

5.1. Ensaio 1 - Retificador de Meia Onda............................................................................ 16

5.2. Ensaio 2 - Retificador de Onda Completa .................................................................... 19

5.3. Ensaio 3 Filtro Capacitivo .......................................................................................... 22

5.4. Ensaio 4 Regulao de tenso utilizando Zener ....................................................... 23

6. Concluso ............................................................................................................................... 27

1. Introduo

Esta prtica visa a implementao de circuitos retificadores, eles so utilizados

na construo de fontes de alimentao de corrente continua, ou seja, realizada a

converso de tenso ca/cc podendo ser de meia onda ou de onda completa.

Circuitos mais simples podem utilizar apenas um diodo, o que faz com que ele

apresente um ripple( o componente de corrente alternada (Vca) que se sobrepe ao

valor mdio da tenso de uma fonte de corrente contnua (Vcc) elevado, e circuitos mais

complexos podem utilizar uma associao de diodos e tratam o ripple fazendo com que

se tenha uma tenso cc pura.

Os diodos utilizados na retificao tem potncia e valor mximo de corrente

muito maiores do os utilizados para outras aplicaes.

2. Objetivo

Esta experincia tem como objetivos: verificar o comportamento I-V dos diodos

(retificador, Zener e LED), compreender o procedimento para anlise de circuitos

contendo diodos e introduzir aspectos relativos ao projeto de fontes de alimentao de

corrente continua.

3. Materiais utilizados

Diodo retificador

Diodo zener

Resistncias

Fonte de tenso continua

Gerador de sinais

Osciloscpio

Multmetro digital

Capacitor

Transformador

4. Reviso Bibliogrfica

4.1. Diodo Semicondutor

O diodo semicondutor um dispositivo eletrnico feito de silcio ou germnio

constitudo por uma juno PN, sendo esta uma combinao fsica de materiais com alta

concentrao de cargas positiva (P) e materiais com alta concentrao de cargas

negativas (N). Esta combinao de materiais chamada dopagem eletrosttica e a

responsvel pelo funcionamento de um diodo.

Figura 1 - Simbolo Diodo

Figura 2 - Juno PN

Tal dispositivo tm como fonte elementar de funcionamento a passagem da

corrente em apenas um sentido dependendo exclusivamente de sua posio no circuito

eltrico. Caso o diodo esteja em uma configurao de polarizao direta a corrente fluir

normalmente sobre ele funcionando basicamente como um curto circuito. Caso o diodo

esteja em uma configurao de polarizao indireta em relao a fonte o dispositivo se

comporta como um circuito aberto impedindo a passagem de corrente por ele. Este

funcionamento se d pela juno PN onde cada face do material possui uma

determinada caracterstica oposta a outra face, gerando regies de conduo. O esquema

de polarizao direta e polarizao inversa de um diodo pode ser claramente visto na

figura abaixo:

Figura 3 - Polarizao Direta

Figura 4 - Polarizao Indireta

Figura 5 - Polarizao do Diodo

4.2. Polarizao Direta

A polarizao de um diodo dita direta quando o plo positivo da fonte

geradora (+V) encontra-se ligado ao plo positivo do diodo (P) comumente chamado de

anodo e o plo negativo da fonte alimentadora do circuito (-V) entra em contato com o

plo negativo do diodo (N) chamado de catodo. Quando a tenso da fonte alimentadora

do circuito atinge um valor maior que a tenso interna do diodo ( Diodos de silcio

geralmente tm uma tenso interna de +0,7V) as cargas livres iro se repelir e

conseguiro ultrapassar a juno PN, se movimentando e ocorrendo a passagem de

corrente eltrica. Em outras palavras o plo positivo do diodo (P) torna-se ainda mais

positivo e o lado (N) ainda mais negativo fazendo com que as cargas atravessem a

juno e ocorra a passagem de corrente eltrica.

Figura 6 - Polarizao Direta

4.3. Polarizao Inversa

A polarizao inversa de um diodo ocorre inversamente polarizao direta,

plo positivo da fonte (+V) conectado ao plo negativo do diodo (N) e plo negativo da

fonte (-V) ao plo positivo do diodo (P). Na polarizao inversa ocorrer uma atrao

das lacunas do plo positivo do diodo (P) pela polarizao negativa da fonte

alimentadora do circuito e uma atrao dos eltrons livres do ctodo (N) pela

polarizao positiva da fonte geradora. Uma vez que no existe um fluxo de cargas

livres na juno PN no haver fluxo de corrente eltrica no diodo.

Figura 7 - Polarizao Reversa

4.4. Curva caracterstica de um diodo

Curva caracterstica do Diodo dada pela relao entre tenso (V) e corrente (I)

atravs do dispositivo. Atravs da curva caracterstica possvel observar o modelo de

aproximao do diodo usado e seu funcionamento. Os modelos de diodo so ideal,

semi-ideal e diodo de silcio que ser usado nesta prtica.

Figura 8 - Configuraes Diodo

Figura 9 - Curva Caracterstica de um Diodo de Silcio

Figura 10 - Diodo em Corte

4.5. Diodo Zener

O diodo Zener ou diodo regulador de tenso um dispositivo eletrnico

semelhante ao diodo semicondutor, projetado para operar em uma regio com tenses

acima da regio de ruptura da juno PN.

O dispositivo Zener atua como regulador de tenso mantendo a tenso constante

em uma carga independente da variao da tenso de linha e da resistncia na carga.

Uma vez atingida sua tenso de ruptura ela se manter constante ao longo de todo o

funcionamento do circuito. Tal dispositivo assim como o diodo semicondutor possui

uma configurao ideal e uma configurao real, sendo representadas nas imagens

abaixo :

Figura 11 - Diodo Zener Ideal

Figura 12- Diodo Zener Real

Seu funcionamento se baseia na introduo de resistores em sries que limitam a

corrente sobre o Zener, limitando assim a corrente Iz que flui pelo diodo. Para uma

corrente maior que a corrente nominal (corrente mxima suportada pelo diodo) ele se

queimaria como qualquer outro componente eletrnico, por isso a resistncia em srie

to importante para o seu funcionamento ideal.

Vale salientar que os valores de potncia mxima, de tenso mxima e de

corrente nominal de qualquer dispositivo podem ser encontrados no seu Datasheet.

Figura 13 - Circuito Diodo Zener

Figura 14 - Zona de Funcionamento Corrente no Diodo Zener

4.6. Diodos funcionando como retificadores de onda

Retificao de meia onda:

Um circuito retificador de meia onda tem como principal caractersticas a

retificao ou retirada de um sinal de corrente alternada (AC) da entrada de um circuito

transformando-o em um sinal de corrente contnua (CC) atravs da utilizao de diodos.

O retificador de meia onda mais simples composto por um diodo e um resistor

onde o diodo s conduzir corrente em apenas um sentido, seja +Vca ou -Vca. O

funcionamento de tal retificador pode ser representado pela figura abaixo :

Figura 15 - Circuito Retificador de Meia onda

Observando a figura acima, quando o diodo est polarizado diretamente (+Vca)

ocorre a passagem de corrente eltrica pelo diodo o que ocasionar uma tenso sobre o

resistor. J no semiciclo negativo (-Vca) o diodo encontra-se polarizado inversamente,

logo no h passagem de corrente pelo dispositivo o que acarretar uma tenso nula

sobre o resistor.

Desta forma possvel ver que o sinal senoidal aplicado a entrada do diodo

retificado gerando apenas um sinal positivo ou um sinal negativo (dependendo da

configurao do diodo).

Figura 16 - Retificao de Meia Onda

Figura 17 - Retificao de Meia Onda

Para um sinal retificado temos que :

= (0,318 ) sendo Vt = 0,7V em um Diodo de Silcio.

Retificao de onda completa:

Um retificador de onda completa um circuito que basicamente transforma

corrente alternada AC em corrente contnua CC. O sistema mais conhecido de

retificao de onda completa composto por quatro diodos e chamado de retificao

em ponte. A configurao dada a seguir :

Figura 18 - Retificador de Onda Completa

Diferentemente de um retificador de meia onda este retificador no altera

somente uma parte da onda (+Vac ou Vac). A tenso retificada independete do

semiciclo da tenso.

Figura 19 - Refiticao Onda Completa

Figura 20 - Retificao Onda Completa

Figura 21 - Onda Retificada

A mdia de tenso Vcc dada por:

= 0,636( 2)

Sendo Vt a tenso no Diodo que no caso do silcio ser de 0,7V.

Usando um capacitor em paralelo com a carga possvel manter a tenso de pico

por mais tempo, uma vez que quando a tenso do sinal tende a cair o capacitor comea

a descarregar. Desta forma o diodo entra no estado de corte at que a tenso vinda da

fonte supere a tenso no capacitor. Quanto maior a constante RC, maior o tempo de

queda da tenso do capacitor, e por conseguinte a tenso na carga mantida bem

prxima do valor de pico da tenso vinda da fonte. retificador de meia-onda. A

diferena entre o valor de pico da senide e o menor valor de tenso do capacitor

denominado ripple.

Figura 22 - Refiticador com Capacitor

Figura 23 - Onda Retificada com capacitor

5. Roteiro prtico e resultados

5.1. Ensaio 1 - Retificador de Meia Onda

Analise o circuito proposto para retificao do sinal (5 Vrms, 60 Hz). Qual a expresso

para a VPIV desta montagem? Ilustre as formas de onda de entrada e de sada

considerando o modelo linearizado para o diodo retificador.

Figura 24 - Circuito Ensaio 01

Execute a montagem do retificador de meia-onda da Fig. 1 utilizando o diodo

retificador. Visualize a caracterstica de transferncia e as formas de onda de entrada e

de sada com o auxlio do osciloscpio da bancada.

Figura 25 - Montagem Circuito Ensaio 01

Determine teoricamente e experimentalmente:

a) a tenso de limiar de conduo direta do diodo;

Considerando a queda de 0,7 devido a barreira de potencial do diodo, teremos:

= 0,7

b) o perodo observado das formas de onda;

Como a frequncia da entrada e da sada so as mesmas possvel calcular o perodo

como sendo:

=1

=

1

60= 16,67

c) o valor de pico da corrente no diodo (estimada);

=(5 2) 0,7

1= 6,37

O valor medido pelo grupo foi de 6,18mA

d) o valor da corrente cc na carga (estimada);

= (5 2) 0,7

= 2,02

=

1= 2,02

Experimentalmente o valor de corrente encontrado na carga foi de 1,89mA

e) o valor da diferena (em volts) observada entre os picos das formas de onda de

entrada e de sada.

Figura 26 - Forma de Onda Sada Ensaio 01

= 7.07 6.48 = 0.6

Os componentes no so idealizados logo no foi possvel obter o resultado

exato esperado que era de 0,7V, porm 0,6V est bem prximo, o que indica que a

prtica foi bem sucedida. O fato da tenso ter variado um pouco culminou que as

correntes tambm tiveram uma pequena variao, mas nada que no estivesse no padro

de erro.

Figura 27 - Ilustrao Formas de Onda Entrada e Sada Ensaio 01

5.2. Ensaio 2 - Retificador de Onda Completa

Analise os circuitos propostos (Fig.2 a-b) para retificao do sinal ac (5 Vrms, 60 Hz).

Quais as expresses para a VPIV destas montagens? Ilustre as formas de onda de

entrada e de sada considerando o modelo linearizado para o diodo retificador.

Execute sequencialmente as montagens dos retificadores de onda-completa ilustradas na

Fig. 2 a-b utilizando diodos retificadores 1N4148. Visualize a caracterstica de

transferncia (somente para a montagem da Fig. 2 a) e as formas de onda de entrada e

de sada com o auxlio do osciloscpio da bancada.

Figura 28 - Montagem Circuito a) Ensaio 02

Figura 29- Montagem Circuito b) Ensaio 02

Determine teoricamente e experimentalmente:

a) Os valores das correntes cc na carga (estimadas) em cada montagem;

Devido ao fato do terra do osciloscpio ser o mesmo terra do gerador de funes

usamos um transformador na prtica de 6,9V.

Figura 30 - Transformador Usado Ensaio 02

Onda completa com tap central:

= 0,628 9,75 0.7

1= 9,05

Experimentalmente o valor medido de corrente foi de 8,98mA

Onda completa com ponte de diodos:

= 0,636 9,75 1.4

1= 8,35

Experimentalmente o valor medido de corrente foi de 8,27mA

b) Os valores das diferenas (em volts) observadas entre os picos das formas de

onda de entrada e de sada (somente para a montagem da Fig. 2 a).

Onda completa com tap central:

Como com o tap central obtida duas ondas derivadas da onda de entrada cujos

valores de tenso so igual a metade do valor de tenso da onda de entrada, e devido a

ao de um diodo em cada semiciclo, a diferena de pico entre entrada e sada ser:

= 9.75 8.80 = 0,95

Figura 31 - Sada Retificador Ensaio 02

5.3. Ensaio 3 Filtro Capacitivo

Dimensione a capacitncia necessria a ser associada em paralelo com a

resistncia de carga na Fig. 1, para garantia de uma tenso de ripple inferior a 0,5 V.

Para a implementao do filtro com o capacitor escolhido, estime a corrente mdia que

fluiria no diodo. possvel eliminar completamente o ripple elevando o valor da

capacitncia? Justifique sua resposta.

Figura 32 - Montagem Circuito Ensaio 03

Sendo

=

=

8.30,5 1.53

Adotamos uma frequncia muito alta pois j estvamos com um capacitor de

1.53uF em mos, e aps realizarmos a verificao do mesmo, conclumos que seria

possvel obter um ripple de 0,5V com tal capacitor.

A corrente no diodo no sofrer qualquer alterao se mantendo constante como

calculado no ensaio 01.

= 6,37

Se na prtica existisse um capacitor ou uma frequncia que tendesse ao infinito

seramos capazes de eliminar o ripple, porm como isso no acontece no mundo real,

impossvel eliminar o ripple totalmente.

Com o auxlio do osciloscpio verifique a amplitude da tenso de ripple sobre a

resistncia de carga no circuito da Fig. 1, quando o capacitor dimensionado

anteriormente estiver conectado.

Figura 33 - Vripple do Ensaio 03

5.4. Ensaio 4 Regulao de tenso utilizando Zener

Considere o circuito proposto na fig. 3, onda a capacitncia assumir o mesmo

valor dimensionado anteriormente. O Zener empregado (4V7) e o LED (vermelho)

seriam substitudos por seus modelos equivalentes linearizados. A corrente drenada

variar na faixa de 5mA-50mA.

Como no laboratrio s tnhamos o LED verde, este foi usado em nosso projeto.

O LED verde tem como seu modelo uma queda de 1.8V. Como a fonte do laboratrio

apresenta uma limitao em sua resistncia interna, foi utilizado um transformador de

6,5Vrms para a realizao desta prtica. Uma vez que o capacitor continua dando um

Vripple menor que 0,5V este no dever ser dimensionado.

a) estime o valor da resistncia R1 a ser empregada na montagem;

Sendo R1 o resistor limitador de corrente no diodo Zener este pode assumir dois

casos, sendo estes quando a carga for mxima, ou seja, quando o potencimetro atingir

seu maior valor e quando a carga for mnima com o potencimetro em 0.

Para carga mxima IRL = 5,1mA e para carga mnima IRL = 5,6mA.

A corrente nominal do Diodo Zener (utilizando o datasheet) de 71,4mA.

Para o pior caso de IRL temos um valor mximo de R1 afim de compensar e

equilibrar a corrente que passa no diodo Zener, logo IR1 = 76,5 mA. Calculada a tenso

no ponto 2 ( levando em considerao que utilizamos um transformador) V2 = 8,49V.

Com a tenso no ponto 2 fica fcil determinar o valor de R1 utilizando anlise de

circuitos temos que R1 = 37,80.

b) estime o valor da resistncia R2 que limita a corrente no LED indicador a

20mA;

Conhecendo o modelo de LED verde (queda de aproximadamente 1.8V) temos que:

2 = 8,49 1.8

20= 334,5

c) estime a regulao de linha e a regulao de carga desta fonte cc.

Utilizando a fonte ac ajustvel, reduza a amplitude do sinal de entrada de 10%

relativamente tenso de entrada anterior. Verifique com isso a razo de rejeio de

ripple, as regulaes de linha e de carga da fonte cc implementada pelo circuito da

Fig. 3 nas trs situaes:

Figura 34 - Montagem Circuito Ensaio 04

a) Na ausncia de carga, i.e, quando os terminais de sada esto em circuito-

aberto;

Como os terminais de sada estaro abertos a sada ser a tenso do Zener que ser de

aproximadamente 5.6V

Figura 35 - Sada Circuito Ensaio 04

b) na presena da carga mnima (1.100 );

Figura 36 - Carga Mnima Ensaio 04

c) na presena da carga mxima (100 )

Figura 37- Carga Mxima Ensaio 04

Figura 38- Vripple em Comparao com Entrada

6. Concluso

A prtica em si apresentou um grau elevado de dificuldade principalmente nos

ensaios 03 e 04 os quais apresentavam um contedo denso e de bastante complexidade.

Os resultados obtidos nos retificadores foram satisfatrios e condizentes com a

teoria, fomos capazes de entender e projetar tais circuitos para retificao, esta que, ser

bastante usada em nosso curso. A prtica dos retificadores foi interessante pois nunca

havamos tido contato com tal tipo de prtica, e poder observar o funcionamento do

circuito com o ociloscpio foi de grande entusiasmo.

Fomos capazes de determinar o Vripple de um circuito de forma interessante, na

qual a partir de uma frmula fomos capazes de controlar os parmetros obtendo o

melhor valor possvel. A forma com que o RC afeta o circuito retificador interessante

podendo converter circuitos CA em circuitos CC atravs do uso de pontes de diodo.

Todos os resultados envolvendo o Vripple foram condizentes com os valores calculados

e no que a teoria se propes a dizer sobre tais casos.

Os ensaios 04 e 05 foram bastante complicados, nos quais o grupo no teve uma

assimilao de conhecimentos boa. Ficamos um pouco confusos em relao ao que era

pedido e o problema com a fonte do laboratrio s foi descoberto aps a prtica. Os

resultados no foram to satisfatrios quanto aos outros ensaios porm esperamos ter

feito nosso melhor e entendido um pouco sobre o funcionamento de cada componente

apresentado nesta prtica.