TRABALHO FINAL DE MATERIAIS DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS - Circuito limitador de tensão

Prévia do material em texto

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
	GISELLE RODRIGUES NOGUEIRA
PEDRO GABRIEL LUCAS DA SILVA
THÁCITO ELMER LIRA CARNEIRO SILVA
EXPERIMENTO PRÁTICO
CIRCUITO LIMITADOR DE TENSÃO
BOA VISTA, RR
06/2015
	GISELLE RODRIGUES NOGUEIRA
	2201414708
	PEDRO GABRIEL LUCAS DA SILVA
	1201414711
	 THÁCITO ELMER LIRA CARNEIRO SILVA
	1201414706
EXPERIMENTO PRÁTICO
CIRCUITO LIMITADOR DE TENSÃO
Relatório de aula prática, apresentado como pré-requisito à obtenção parcial de nota referente à disciplina de Ciência e Tecnologia dos Materiais, da Universidade Federal de Roraima. 
Orientador: Prof. Msc. Francisco Diego M.
BOA VISTA, RR.
06/2015
INTRODUÇÃO
Neste trabalho é mostrado o processo de confecção de um circuito limitador de tensão feito de forma artesanal e os resultados dos experimentos realizados em laboratórios de aula prática, utilizando o conhecimento adquirido na disciplina de Ciência e Tecnologia dos Materiais.
OBJETIVO GERAL
O objetivo geral do trabalho é mostrar todas as etapas de estudo e de confecção do circuito limitador de tensão, aplicando a teoria adquirida nas aulas da disciplina de Ciências e Tecnologia dos Materiais, apresentando a importância e a aplicação desse tipo de circuito no dia-dia.
REFERENCIAL TEÓRICO
ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS
É o arranjo regular, tridimensional, dos átomos no espaço. A regularidade com que os átomos se dispõem nos sólidos depende principalmente das condições impostas pelos átomos envolvidos e do tipo de ligação atômica. Algumas propriedades dos materiais dependem dessa estrutura.
ANISOTROPIA E ISOTROPIA 
Anisotropia é uma característica que possui uma substancia em que certa propriedade desse material depende da orientação cristalográfica na qual foram feitas as medições, como condutividade elétrica, elasticidade ou índice de refração do material, e podem estar relacionadas com as direções [100], [110] e [111]. A isotropia é a propriedade que caracteriza as substancias que possuem as mesmas propriedades independente da orientação considerada.
CORROSÃO
É definida com a deterioração dos materiais pela química ou eletroquímica do meio. Apesar de trazer altos prejuízos para a economia, os processos de corrosão, são ocasionalmente utilizados com vantagens, para proveito e benefício.
MATERIAIS SEMICONDUTORES
São materiais que não possuem uma condutividade tão alta quanto dos condutores nem tão baixa quanto dos isolantes. De qualquer forma, as propriedades desses materiais são extremamente sensíveis à presença impurezas. 
Os semicondutores intrínsecos são aqueles em que o comportamento elétrico está baseado na estrutura eletrônica inerente ao metal puro. Quando as características eletrônicas são influenciadas por impurezas, o semicondutor é chamado extrínseco.
DOPAGEM TIPO P E TIPO N
Na dopagem tipo N, ocorre com a adição de fósforo ou arsênico ao silício. Tanto o arsênico quanto o fósforo possuem cinco elétrons na camada de valência. Ocorrem ligações covalentes entre quatro elétrons e um deles fica livre, que ganha movimento e gera corrente elétrica. Na dopagem tipo P, há adição de boro ou gálio ao silício. Ambos possuem três elétrons na camada de valência. Quando são adicionados ao silício criam lacunas, que conduzem corrente e a ausência de um elétron cria uma carga positiva.
FUNCIONAMENTO DO DIODO
O diodo é formado pela junção de dois materiais semicondutores do tipo P e do tipo N, sendo construído geralmente de germânio (Ge) ou de Silício (Si), sendo um componente de dois terminais. Conduz corrente elétrica preferencialmente em um sentido, bloqueando a passagem de corrente no outro.
FIGURA 3.4.2.1 – Representação esquemática do diodo
Quando os materiais P e N são unidos, alguns elétrons e lacunas se combinam formando uma região chamada de região de depleção, onde não existem portadores livres. Os diodos podem ser polarizados direta e reversamente.
FIGURA 3.4.2.2 – Representação ilustrativa das regiões do diodo
POLARIZAÇÃO DIRETA
Nessa polarização, o ânodo e cátodo devem ser ligados no terminal positivo e negativo respectivamente da bateria. O diodo passa a conduzir, pois a região de depleção é eliminada devido a diferença de potencial da bateria.
POLARIZAÇÃO REVERSA
Nesse tipo de polarização, o ânodo e cátodo devem ser ligados no terminal negativo e positivo da bateria respectivamente, impedindo a circulação dos portadores livres na junção.
DIODO ZENER
É um tipo especial de diodo especialmente projetado para trabalhar polarizado reversamente. Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz corrente desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na realidade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de corrente de saturação. No diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo. No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um diodo comum, o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais). Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts, 24 Volts e 33 Volts.
FIGURA 3.4.3 – Representação do diodo Zener
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E METODOLOGIA
MATERIAIS UTILIZADOS
Placa de fenolite;
Pincel para CD (Traçar trilha por onde passa a corrente elétrica);
Resistor de 100kΩ e ¼ w;
2 diodos Zener DFLZ33 de 33v;
Percloreto de ferro (Corroer a placa de fenolite);
Plugue de tomada bipolar (Ligar o circuito).
FERRAMENTAS
Arco de serra (Cortar a placa);
Furador de placa (Perfurar a placa para a adição dos componentes);
Vasilhame plástico (Armazenar o percloreto durante a corrosão);
Ferro de solda (Soldar os componentes);
Alicate de corte (Diminuir o tamanho dos condutores nos terminais dos componentes);
Solda (Fixar os componentes na placa);
Sugador de solda (Reparos na placa quando houver excesso de solda);
Multímetro (Medir a continuidade no circuito e identificar possíveis curtos-circuitos);
COMPONENTES
FONTE DE TENSÃO ALTERNADA
A fonte utilizada é a tomada de tensão alternada de 127v, cujo valor eficaz medido pelo voltímetro é aproximadamente 90v. O plugue bipolar liga o circuito à tomada.
FIGURA 4.3.1-1 e 4.3.1-2 – Conjunto utilizado como fonte de tensão alternada (Imagem ilustrativa);
RESISTOR
O resistor utilizado no circuito foi de 100kΩ de resistência e ¼ w de potência. Sua função no circuito é limitar o fluxo de corrente que passa para os diodos. 
FIGURA 4.3.2 – Resistor utilizado no circuito (Imagem ilustrativa);
DIODO ZENER
Foram utilizados dois diodos Zener de 33v com o cátodo ligado no positivo da fonte e o ânodo ligado no ânodo do outro diodo. 
FIGURA 4.3.3 – Diodo Zener (Imagem ilustrativa)
CIRCUITO
FIGURA DO CIRCUITO
FIGURA 4.4.1 – Representação simbólica do circuito
O circuito limitador de tensão, apresentado na FIGURA 4.4.1 mostra de forma mais clara a disposição dos componentes no circuito, com uma fonte de tensão alternada, um resistor e dois diodos Zener.
APLICAÇÃO DO CIRCUITO
O circuito limitador de tensão limita inferior e superiormente a tensão, não deixando que esta ultrapasse determinado valor máximo ou mínimo, por isso servem como circuitos de proteção, sendo essa a principal aplicação prática. 
FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO
Por ser alternada, hora a corrente sai por um terminal, hora sai pelo outro. Quando a corrente faz o percurso pela direita, por exemplo, a tensão da fonte, que é maior que a tensão de ruptura do diodo, faz com queo primeiro diodo limite a tensão e está cai para aproximadamente 33v, o segundo diodo está polarizado diretamente e deixa passar a corrente. O processo ocorre de forma igual no outro sentido. A função do circuito então é limitar inferiormente e superiormente a tensão alternada.
PROJETANDO CARGA PARA SER ACOPLADA AO CIRCUITO
De acordo com os princípios de funcionamento do Diodo Zener, a tensão fornecida ao componente deve ser maior que a tensão já definida por pelo diodo, no caso 33 V de acordo com o datasheet do componente. (DFLZ33).
Para fins de dimensionamento dessa carga, devemos levar em consideração o divisor de tensão que após alterações algébricas teremos:
Sendo RL a resistência total da carga a ser acoplada, R1 a resistência do resistor de polarização do circuito (100kΩ) e Vo a tensão do Diodo (33v), e Vz a tensão de entrada do circuito (120v).
Isolando a Variável RL, encontramos que a resistência deve ser maior que 38.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
PROCESSOS DE CONSTRUÇÃO DO CIRCUITO
PRÉ-CORROSÃO
Antes de se inicia a corrosão propriamente dita, foi feito um processo de preparo da placa. A placa foi marcada com a caneta usualmente utilizada para marcar CDs, a tinta serve como uma proteção da trilha por onde passará a corrente. O circuito foi desenhado de acordo com o esquema projetado no simulador.
CORROSÃO
Prontas para a próxima etapa, a placa foi colocada em solução aquosa de Percloreto de Ferro (FeCl3), substancia que corrói apenas a parte do cobre sobre a placa, a parte marcada com a caneta permanece intacta. O tempo de corrosão foi 11 minutos e 30 segundos.
FIGURA 4.5.1.2-1 e 4.5.1.2-2 – Placas em corrosão
PÓS-CORROSÃO
A placa foi lavada com água para retirar o percloreto que se depositou. Já a tinta, foi retirada com álcool, restando apenas o cobre que servirá de condutor. Foi feita a perfuração circuito nos pontos onde entram os terminais dos componentes eletrônicos, com um furador de placas, semelhante a um grampeador de papéis.
FIGURA 4.5.1.3 – Pós-corrosão
MONTAGEM DO CIRCUITO
A próxima etapa foi colocar os componentes nas posições marcadas e realizar a soldagem. Observando a polaridade, para não haver erro, os componentes foram colocados em suas posições pré-definidas e em seguida foram soldados. 
FIGURA 4.5.1.4 – Circuito montado
PROCESSO DE SOLDAGEM
A soldagem é uma conexão permanente entre metais ou ligas distintas. A técnica utilizada foi a tradicional, com a solda sendo encostada da “perna” do componente, e em seguida aproximou-se o ferro de solda, que em alta temperatura muda o estado da solda para liquido, mas não muda o estado da placa. A solda em estado líquido cai em cima da placa e quando o ferro de solda é retirado, a solda volta quase instantaneamente para o estado sólido, prendendo o componente à placa de Fenolite. A FIGURA 4.5.1.5 mostra com clareza o processo descrito:
FIGURA 4.5.1.5 – Representação do processo de soldagem
Por fim, o excesso de fio condutor nos componente foi retirado com a ajuda de um alicate, para que não haja acidentes nem curtos-circuitos.
SIMULAÇÃO, MEDIÇÃO E CÁLCULOS
SIMULAÇÃO
A simulação de dos parâmetros do circuito foi feita no LT Spice, e foram obtidos os seguintes valores:
	COMPONENTES
	CORRENTE
	TENSÃO
	POTÊNCIA
	Fonte de Tensão AC
	0,88 mA
	89,8 vrms
	79,02 mW
	Resistor (100kΩ)
	0,88 mA
	88,0 vrms
	77,44 mW
	Diodo 1
	0,88 mA
	33,0 v
	29,04 mW
	Diodo 2
	0,88 mA
	33,0 v
	29,04 mW
TABELA 5.1 – Dados simulados
Os valores de tensão da fonte e do resistor é o valor eficaz, já que a tensão e a corrente são funções senoidais do tempo.
FIGURA 5.1 – Forma de onda senoidal
Na FIGURA 5.1, é vista a forma de onda senoidal que sai da fonte e a tensão já limitada.
MEDIÇÃO
	COMPONENTES
	CORRENTE
	TENSÃO
	POTÊNCIA
	Fonte de Tensão AC
	0,88 mA
	89,8 vrms
	79,02 mW
	Resistor (100kΩ)
	0,88 mA
	88,0 vrms
	77,44 mW
	Diodo 1
	0,88 mA
	33,0 v
	29,04 mW
	Diodo 2
	0,88 mA
	33,0 v
	29,04 mW
TABELA 5.2 – Dados medidos
Os valores foram encontrados com o auxílio do multímetro no modo tensão alternada e corrente alternada, onde é fornecido o valor eficaz.
CÁLCULOS
Por ter apenas uma malha, a corrente é a mesma em todo o circuito. Calculando a tensão no resistor, é possível achar esse corrente. A tensão no resistor é a mesma da fonte alternada :
.
 A tensão da fonte é 127v de pico a pico. Como o valor eficaz da fonte é:
, .
A corrente é a mesma em todo o circuito, e pode ser calculada por:
.
Essa corrente é igual no diodo 1, no diodo 2 e na fonte:
.
A tensão de saída nos diodos é pré-definida:
.
DIFICULDADES ENCONTRADAS
TIPO DE CIRCUITO
Por ser um circuito que mexe com tensão alternada relativamente alta, foram enfrentadas algumas dificuldades. A primeira foi a danificação de um resistor que não aguentou a potencia fornecida pela fonte.
Solucionado o problema do resistor, quando se foi medir novamente, o resistor foi substituído por um de potencia maior. Porém, não foi percebido um curto no resistor, cuja “perninha” estava longa, e este foi curto-circuitado, danificando os diodos que receberam grande quantidade de corrente. A placa teve de ser substituída e as reservas fora A placa teve de ser substituída e as reservas foram corroídas novamente.
DANIFICAÇÃO NA TRILHA
As placas reservas estavam a dois dias pintadas, e quando foram corroídas a tinta não aguentou e a trilha condutora também foi corroída. Todas as amostras foram perdidas e o processo deve de ser refeito. Percebeu-se que a tinta só servia para o processo se não ficasse muito tempo na placa, isto é, tinha que ser adicionada pouco tempo antes da corrosão. Após esses problemas, o circuito foi remontado e funcionou normalmente.
FIGURA 6.2 – Placa danificada
CONCLUSÃO
O conhecimento adquirido em sala de aula foi aplicado e a confecção se mostrou simples, apesar de alguns problemas. Apesar de ser a primeira vez que um projeto desse tipo foi desenvolvido pelos membros do grupo, os resultados das simulações, dos cálculos e das medições foram satisfatórios e de acordo com o esperado.
Foi possível aprender muito sobre os procedimentos de confecção, que apesar de rudimentares, enriqueceram bastante o conhecimento sobre a disciplina de Ciência e Tecnologia dos Materiais.
REFERENCIAS
BIBLIOGRAFIA
DORF, RICHARD, C., Introdução aoS Circuitos Elétricos. 8ª Edição, Editora Gen LTC, Rio de Janeiro, 2012.
WLLIAM D., Callister, Jr. Ciência e Tecnologia dos Materiais – Uma Introdução. 7ª ed. São Paulo: Genio - GEN.
WEBGRAFIA
http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=6, página visitada no dia 16/06/2015;
www.dalmolim.com.br/EDUCACAO/MATERIAIS/Biblimat/estrutura.pdf, página visitada no dia 16/06/2015;
http://www.brasilescola.com/quimica/corrosao-dos-metais.htm, página visitada no dia 16/06/2015;
http://www.iope.com.br/3i_corrosao.htm, página visitada no dia 16/06/2015;
http://www.dicionarioinformal.com.br/anisotropia/, página visitada no dia 16/06/2015;
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http://sistemas.rei.unicamp.br/ggbs/conpuesp/posteres/201191414276.pdf, página visitada no dia 17/06/2015;
http://eletronicaemcasa.blogspot.com.br/2013/02/como-funciona-o-diodo.html, página visitada no dia 17/06/2015;
http://www.cear.ufpb.br/~asergio/Eletronica/Analise_Circuitos_Diodos.pdf, página visitada no dia 17/06/2015;