Relatório ELA1 - EXP

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Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica
FEELT31402 - Experimental de Eletrônica Analógica I
Lista de Experimental de Eletrônica Analógica I
Professor Dr. André Luiz Aguiar da Costa
Alexandre Miranda Machado
Fabyan Esteves de Sá
Mateus Flausino Conceição
Pedro Cunha
11911EEL005
11921ETE001
11911EEL014
11911EAU004
Uberlândia 2021
SUMÁRIO
Tópico Página:
1 - Objetivos 3
2 - Introdução teórica 3
3 - Primeira Questão 4
3.1 - Figura A ………………………………………………………………………………….... 4
3.2 - Figura B …………………………………………………………………………………….5
3.3 - Figura C ………………………………………………………………………………….....7
3.4 - Figura D ……………………………………………………………………………............ 8
4 - Segunda Questão 8
4.1 - Simulação ……………………………………………………………………………….…..11
5 - Terceira Questão 13
6 - Quarta Questão 16
7 - Referências bibliográficas 19
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1 - Objetivos
As seguintes atividades tem como objetivo, averiguar de maneira crítica os conceitos
teóricos acerca do funcionamento do diodo em diferentes aplicações eletrônicas e a
obtenção das formas de saída que os mesmos proporcionam. Para tal, serão utilizadas
simulações computacionais no software Qucs às quais, posteriormente, serão comparadas
aos resultados esperados de seu comportamento.
2 - Introdução Teórica
Primeiramente, dando início ao relatório faz-se necessário apresentar o que consiste
um diodo. Em síntese um diodo é um semicondutor, eles são uma classe especial cuja
condutividade está entre um bom condutor e a de um isolante.(conforme [1] - página 2).
Os materiais semicondutores frequentemente usados são Germânio, Silício e Gálio e
Arsênio. Isso se dá pela sua estrutura atômica de cada um desses elementos e de como os
átomos se ligam para formar uma estrutura cristalina. Os componentes fundamentais de um
átomo são o elétron, o próton e o nêutron. Na estrutura de treliça, nêutrons e prótons
formam o núcleo enquanto os elétrons aparecem em órbitas fixas ao redor do núcleo. O
modelo de Bohr para os três materiais é fornecido na Figura 1. (conforme [1] - página 3).
Figura 1: Estrutura atômica de (a) Si, (b) Ge e (c) GaAs ([1] – página 3).
Fonte: BOYLESTAD, Robert L. - NASHELSKY
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De acordo com a Figura 2, fica evidente que o ponto de elevação vertical nas
características é diferente para cada material, embora a forma geral de cada uma delas seja
muito semelhante. O Ge está mais próximo do eixo vertical e o GaAs, mais distante. Como
se observa nas curvas, o centro do joelho (knee em inglês, daí o K ser a notação de Vk) da
curva é de aproximadamente 0,3 V para Germânio, 0,7 V para Silício e 1,2 V para Gálio e
Arsênio (conforme [1] - página 15). Ou seja, Vk é a tensão mínima que deve ser aplicada
em um diodo para que ele possa conduzir.
Figura 2: Comparação das curvas dos diodos de Ge, Si e GaAs ([1] – página 16).
Fonte: BOYLESTAD, Robert L. - NASHELSKY
3 - Primeira Questão
3.1 - Figura A
No circuito da Figura (A) o diodo não está funcionando corretamente, deveria estar
comportando como circuito fechado porém está se comportando como circuito aberto. Desse
modo, a tensão verificada pela ponteira de tensão tanto no enunciado quanto na simulação no
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software evidencia esse funcionamento errôneo. A fim de verificar o funcionamento foram
executados dois circuitos, um com o diodo funcionando como circuito fechado e outro
utilizando-se de um interruptor aberto para ficar semelhante ao defeito apresentado.
Figura 3: Medindo tensão quando o diodo está com defeito.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 4: Medindo tensão quando o diodo está funcionando corretamente.
Fonte: Elaborada pelo autor.
3.2 - Figura B
No circuito da Figura B o diodo não está funcionando corretamente, deveria estar
comportando como circuito fechado porém está se comportando como circuito aberto. Desse
modo, a tensão verificada pela ponteira de tensão tanto no enunciado quanto na simulação no
software evidencia esse funcionamento errôneo. A fim de verificar o funcionamento foram
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executados dois circuitos, um com o diodo funcionando como circuito fechado e outro
utilizando-se de um interruptor aberto para ficar semelhante ao defeito apresentado.
Figura 5: Medindo tensão quando o diodo está com defeito.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 6: Medindo tensão quando o diodo está funcionando corretamente.
Fonte: Elaborada pelo autor.
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3.3 - Figura C
No circuito da Figura C o diodo não está funcionando corretamente, deveria estar
comportando como circuito aberto porém está se comportando como circuito fechado. Desse
modo, a tensão verificada pela ponteira de tensão tanto no enunciado quanto na simulação no
software evidencia esse funcionamento errôneo. A fim de verificar o funcionamento foram
executados dois circuitos, um com o diodo funcionando como circuito aberto e outro
utilizando-se de um interruptor fechado para ficar semelhante ao defeito apresentado.
Figura 7: Comprovação que está com defeito.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 8: Medindo tensão quando o diodo está funcionando corretamente.
Fonte: Elaborada pelo autor.
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3.4 - Figura D
No circuito da Figura D o diodo está funcionando corretamente, comportando como
circuito aberto pois está polarizado reversamente. Desse modo, a tensão verificada pela
ponteira de tensão tanto no enunciado quanto na simulação no software evidencia esse
funcionamento correto. A fim de verificar o funcionamento, foi executado o circuito no
software Qucs.
Figura 9: Medindo tensão quando o diodo está funcionando corretamente.
Fonte: Elaborada pelo autor.
4 - Segunda Questão
Um circuito grampeador é constituído de um diodo, um resistor e um capacitor que
desloca uma forma de onda para um nível CC diferente, sem alterar a aparência do sinal
aplicado. Deslocamentos adicionais também podem ser obtidos como o solicitado pela
questão, com a introdução de uma fonte CC na estrutura básica. (conforme [1] - página 74)
O resistor e o capacitor da rede devem ser escolhidos de tal modo que a constante de
tempo determinada por τ = RC seja grande o suficiente para assegurar que a tensão através do
capacitor não se descarregue de forma significativa durante o intervalo em que o diodo não
esteja conduzindo. Circuitos grampeadores têm um capacitor conectado diretamente da
entrada para a saída com uma resistência em paralelo com o sinal de saída. (conforme [1] -
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página 76). O diodo também está em paralelo com o sinal de saída, e no caso do sinal Vout
esperado pelo exercício ter uma fonte CC em série com esse diodo usaremos como base o
circuito grampeador mostrado na Figura 10.
Figura 10: Circuito grampeador.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Foi adotado que nossa frequência seria de 1 kHz, sendo assim calcularemos o período
e o intervalos entre os níveis, a equação do período é dada por:
𝑇 = 1𝑓 = 
1
1000 = 1 𝑚𝑠
Assim a metade desse período será que resultará em 0,5 ms entre cada nível, esse𝑇2
valor será utilizado no Qucs para devidas simulações.
Dado os sinais da Figura 11, foi possível dimensionar e projetar os componentes do
circuito grampeador.
Figura 11: Sinal de entrada (Vin) e sinal de saída (Vout) esperado ao passar pelo circuito.
Fonte: Elaborada pelo autor.
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Primeiramente, iremos analisar o período de 0-t1 de Vin mostrado na Figura 11, uma
vez que o diodo está em seu estado de curto-circuito. Para esse intervalo, o circuito será como
mostra a Figura 12.
Figura 12: Diodo no estado ligado.
Fonte: Elaborada pelo autor.
A aplicação da Lei das Tensões de Kirchhoff ao longo da malha de entrada resulta em:
Vi - Vc -V1 = 0
10 V - VC - 2,7 V = 0
VC = 7,3 V
Portanto, o capacitor carregará até 7,3V. Neste caso, o diodo não provoca um
curto-circuito no resistor R, assim nesse intervalo 0-t1 , temos que a tensão V1=Vo , uma vez
que estão em paralelo, então observando o valor de Vo dado na Figura 11, podemos concluir
que V1=2,7 V.
Para o período de t1-t2 , o circuito será como mostra a Figura 13 abaixo:
Figura 13: Diodo no estado desligado.
Fonte: Elaborada pelo autor.
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O circuito aberto equivalente para o diodo evitará que a bateria (V1) de 2,7 V tenha
qualquer efeito sobre Vo, e a aplicação da Lei das Tensões de Kirchhoff ao longo da malha de
saída do circuito resultará em:
-Vi - Vc -Vo = 0
- 10 V - 7,3 - Vo = 0
Vo = -17,3 V
A constante de tempo do circuito de descarga da Figura 13 é determinada pelo produto
RC, como já dito, precisamos apenas de uma constante de tempo que seja maior que 0,5 ms.
Sendo assim colocarei no circuito uma resistência de 100kΩ e um capacitor de 0,1µF. Para
cálculo de τ temos:
τ = RC = (100 kΩ)(10 µF) = 1 s
O tempo total de descarga, portanto, é 5τ = 5(1s) = 5s. Como o intervalo t1-t2 dura
apenas 0,5 ms, pode-se considerar que o capacitor manterá sua tensão durante o período de
descarga entre os pulsos do sinal de entrada. A saída resultante é mostrada na Figura 11 com o
sinal de entrada. Vale reparar que o valor de pico a pico é o mesmo tanto no sinal de entrada
quanto no sinal de saída o valor é apenas deslocado verticalmente.
4.1 - Simulação
Como o software de simulação QUCS possui limitações, para obtermos um sinal de
entrada como o mostrado na questão foi necessário colocar uma fonte de tensão quadrada em
série com uma fonte de tensão com os polo negativos juntos, para que o sinal de entrada
tivesse uma tensão de pico de 10 V e um Vpp de 20 V e continuasse com o formato quadrado.
Para essa simulação consideramos a tensão inicial do capacitor de 7,3 V, ou seja, nosso
capacitor já estará carregado.
Segue abaixo a montagem do circuito e os gráficos de tensão entrada Vin e tensão
saída Vout.
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Figura 14: Esquema do circuito montado.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 15: Gráfico da tensão pelo tempo.
Fonte: Elaborada pelo autor.
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Portanto, assim como apresentado pelo circuito esquemático e o gráfico da tensão pelo tempo
conclui-se que ao realizar a simulação do circuito obtém-se o resultado esperado de um tensão de saída
de 2.7V no semiciclo positivo e uma tensão de -17.3V no semiciclo negativo.
5 - Terceira Questão:
A montagem do circuito se dá por uma fonte triangular de corrente alternada(V i ) de
10V, e com Vpp de 20V. De maneira semelhante ao exercício 2 foi adotado que a frequência
seria de 1 kHz, sendo assim calcularemos o período e o intervalos entre os níveis, a equação
do período é dada por:
𝑇 = 1𝑓 = 
1
1000 = 1 𝑚𝑠
Portanto, a metade desse período será que resultará em 0,5 ms entre cada nível, esse𝑇2
valor será utilizado no QUCS para devidas simulações e análises. Faremos a montagem do
circuito para compreender melhor o funcionamento.
.
Figura 16:Circuito com os diodos.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Como estamos tratando de uma fonte de corrente alternada com semiciclos positivos e
negativos faremos a análise para cada semiciclo a fim de compreender melhor o
funcionamento dos diodos do circuito em cada caso.
Para o primeiro caso trataremos o semiciclo negativo. Durante este, o diodo à direita
do circuito em série com a fonte de 7,3V estará diretamente polarizado. Dessa forma, o diodo
à direita se comportará como curto circuito. Sendo assim, a tensão Vo se dará pela ação da
fonte de Vi e o resistor R e a queda de tensão no diodo em série a fonte de 7,3V. De maneira
contrária, o diodo à esquerda do circuito estará se comportando como circuito aberto, portanto
obtém-se o circuito representado abaixo.
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Figura 17: Comportamento dos diodos no semiciclo negativo.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 18: Comportamento dos diodos no semiciclo positivo.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Já para o segundo caso trataremos do semiciclo positivo. Durante este, o diodo à
esquerda em série com a fonte de tensão de 5,3V estará diretamente polarizado, atuando
portanto como circuito aberto e o outro diodo como circuito aberto, logo a tensão Vo se dará
pela ação da fonte de Vi e o resistor R e a queda de tensão no diodo em série a fonte de 5,3V.
Somando as análises feitas podemos obter os valores da tensão Vo e a corrente no
resistor. Os gráficos abaixo representam os valores obtidos.
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Figura 19: Gráfico da tensão Vo durante o tempo de execução da simulação
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 20: Gráfico da corrente no resistor durante o tempo de execução da simulação.
Fonte: Elaborada pelo autor.
O esquema do circuito simulado no software Qucs utilizou de uma fonte de tensão alternada quadrada
somada a uma fonte de tensão contínua para realizar o efeito de uma fonte de tensão alternada
triangular. Foram utilizados diodos 1N4001[2] , duas fontes de tensão contínua de 5,3V e 7,3V, um
resistor e as ponteiras para medir tensão e corrente no circuito. Segue abaixo o circuito esquemático
realizado na simulação.
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Figura 21: Gráfico da corrente no resistor durante o tempo de execução da simulação.
Fonte: Elaborada pelo autor.
6 - Quarta Questão:
O funcionamento da porta lógica “AND” depende da voltagem nos pontos A e B do circuito
analisado, sendo necessário que ambos estejam sendo alimentados com 5V, correspondente a um nível
lógico alto, para que o LED acenda. Para explicar o funcionamento de maneira detalhada, faremos
uma análise de cada um dos casos da tabela verdade.
Para todos os casos, observando o terminal alimentado com 5V, assumindo que haja uma
corrente passando pelo resistor, temos que a tensão no ânodo dos diodos será inferior a 5V e maior que
zero devido à queda de tensão no resistor. Levando isso em consideração, veremos cada caso:
● A = 0V e B = 0V
Neste caso, ambos os terminais possuem uma tensão de 0V. Devido ao que foi explicado
anteriormente, temos que a tensão nos ânodos é maior que nos cátodos, o que indica que ambos os
diodos estão polarizados diretamente, consequentemente, se comportam como fontes de tensão
constantes de 0,7V e estarão conduzindo. Desse modo, vemos que a tensão que chega no LED é a de
0,7V; correspondente ao nível lógico baixo, o que significa que o LED não estará aceso.
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Figura 22: Circuito elaborado para simular a porta E (AND).
Fonte: Elaborada pelo autor.
● A = 0V e B = 5V
Neste caso, o terminal A possui uma tensão de 0V e o terminal B possui uma tensão de 5V.
Devido ao que foi explicado anteriormente, temos que a tensão no ânodo do diodo em A é maior que
no cátodo, o que indica que este diodo está polarizado diretamente, consequentemente, se comporta
como fonte de tensão constante de 0,7V e estará conduzindo. Já no diodo em B, a tensão no ânodo será
menor que no cátodo, indicando que o diodo está inversamente polarizado, se comportando como um
circuito aberto. Ainda sim, vemos que a tensão que chega no LED é a de 0,7V; correspondente ao
nível lógico baixo, o que significa novamente que o LED não estará aceso.
Figura 23: Circuito elaborado para simular a porta E (AND).
Fonte: Elaborada pelo autor.
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● A = 5V e B = 0V
Neste caso, o terminal A possui uma tensão de 5V e o terminal B possui uma tensão de 0V. De
maneira análoga ao caso anterior, temos que o diodo em A estará inversamente polarizado e o diodo
em B estará diretamente polarizado. Novamente, temos que a tensão que chega no LED é a de 0,7V;
correspondente ao nível lógico baixo, o que significa novamente que o LED não estará aceso.
Figura 24: Circuito elaborado para simular a porta E (AND).
Fonte: Elaborada pelo autor.
● A = 5V e B = 5V
Neste caso, ambos os terminais possuem uma tensão de 5V. Devido ao que foi explicado
anteriormente, temos que a tensão nos ânodos é menor que nos cátodos, o que indica que ambos os
diodos estão polarizados inversamentes, consequentemente, se comportam como circuitos abertos e
não estão conduzindo. Desse modo, vemos que a tensão que chega no LEDé de 5V; correspondente ao
nível lógico alto, o que significa que o LED estará aceso.
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Figura 25: Circuito elaborado para simular a porta E (AND).
Fonte: Elaborada pelo autor.
7 - Referências bibliográficas:
[1] - BOYLESTAD, Robert L. - NASHELSKY, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos São
Paulo: Prentice Hall do Brasil, 2004.
[2] - Vishay General Semiconductor - Datasheet Disponível em :
https://www.vishay.com/docs/88503/1n4001.pdf. Acesso em: 18 de agosto de 2021.
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https://www.vishay.com/docs/88503/1n4001.pdf