Aula 7 Diodos

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EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   1/10	
  
Introdução	
  Teórica	
  Aula	
  7:	
  
Diodos	
  
Diodos	
  
	
  Um	
  diodo	
  semicondutor	
  é	
  um	
  componente	
  eletrônico	
  com	
  dois	
  terminais,	
  chamados	
  de	
  ânodo	
  (+)	
  e	
  cátodo	
   (-­‐).	
  A	
   figura	
  1a	
  mostra	
  o	
  símbolo	
  do	
  diodo	
  assim	
  como	
  a	
   identificação	
  de	
  seus	
  terminais	
  nos	
  dispositivos	
  comerciais.	
  Em	
  geral,	
  um	
  diodo	
  apresenta	
  a	
  propriedade	
  de	
  permitir	
  a	
  passagem	
  da	
  corrente	
   apenas	
   em	
  um	
   sentido:	
   do	
   ânodo	
   para	
   o	
   cátodo.	
   Os	
   diodos	
   são	
   fabricados	
   com	
  material	
  semicondutor.	
   Tipicamente	
   utiliza-­‐se	
   o	
   silício,	
   embora	
   também	
   se	
   possa	
   utilizar	
   o	
   germânio.	
  Resultam	
  da	
   junção	
  de	
  silício	
  do	
   tipo-­‐P	
   (silício	
  dopado	
  com	
   impurezas	
   tri-­‐valentes)	
  com	
  silício	
  do	
  tipo-­‐N	
  (silício	
  dopado	
  com	
  impurezas	
  penta-­‐valentes).	
  Um	
  diodo	
  emissor	
  de	
  luz	
  (LED)	
  apresenta	
  a	
  propriedade	
   adicional	
   de	
   emitir	
   luz	
   quando	
   percorrido	
   por	
   uma	
   corrente.	
   A	
   figura	
   1b	
  mostra	
   os	
  símbolos	
   associados	
   ao	
   LED,	
   assim	
   como	
   a	
   identificação	
   dos	
   terminais	
   correspondentes	
   em	
  dispositivos	
  comerciais.	
  	
   	
  	
   	
  	
  	
  
A	
   equação	
   que	
   relaciona	
   a	
   intensidade	
   que	
   circula	
   pelo	
   diodo	
   e	
   a	
   sua	
   tensão	
   é	
   uma	
   relação	
  exponencial	
  complexa	
  quando	
  o	
  diodo	
  está	
  ativo	
  (ou	
  em	
  ON),	
  e	
  praticamente	
  ID=0	
  quando	
  o	
  diodo	
  está	
   inativo	
   (ou	
   em	
   OFF),	
   porém	
   existem	
   varias	
   aproximações	
   que	
   simplificam	
   a	
   análise	
   dos	
  circuitos	
  com	
  diodos.	
  Algumas	
  delas	
  são:	
  1.-­‐	
  Aproximação	
  ideal:	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
   2.-­‐	
  Aproximação	
  com	
  fonte	
  de	
  tensão	
  constante:	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
Figura	
  1:	
  Símbolo	
  e	
  identificação	
  de	
  terminais	
  correspondentes	
  em	
  dispositivos	
  comerciais	
  de	
  a)	
  diodo	
  e	
  b)	
  LED.	
  	
  
a)	
   b)	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   2/10	
  
	
   3.-­‐	
  Aproximação	
  com	
  fonte	
  de	
  tensão	
  constante	
  e	
  resistência:	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  As	
  aplicações	
  dos	
  diodos	
  são	
  principalmente	
  retificadores	
  de	
  onda	
  e	
  ceifadores	
  (ou	
  limitadores	
  de	
  tensão).	
   Em	
   seguida	
   é	
   explicado	
   como	
   solucionar	
   um	
  circuito	
   limitador	
   de	
   tensão	
   com	
  entrada	
  triangular	
  usando	
  o	
  modelo	
  com	
  fonte	
  de	
  tensão	
  constante	
  para	
  o	
  diodo.	
  	
  
	
  Para	
  diodo	
  em	
  OFF:	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  Para	
  diodo	
  em	
  ON:	
  	
  
	
  
	
  A	
  característica	
  VIN-­‐VOUT	
  e	
  a	
  forma	
  de	
  ondas	
  são	
  mostradas	
  de	
  seguida:	
  
	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   3/10	
  
	
  Para	
  um	
  circuito	
  retificador	
  de	
  onda	
  positiva	
  com	
  entrada	
  triangular	
  usando	
  o	
  modelo	
  com	
  fonte	
  de	
  tensão	
  constante	
  do	
  diodo:	
  
	
  A	
  característica	
  VIN-­‐VOUT	
  e	
  a	
  forma	
  de	
  ondas	
  são	
  neste	
  caso:	
  
	
  Para	
  um	
  circuito	
  retificador	
  de	
  onda	
  completa	
  a	
  abordagem	
  é	
  a	
  seguinte:	
  	
  
	
  
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  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   4/10	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
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  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   5/10	
  
	
  
Roteiro	
  laboratório	
  Aula	
  7:	
  
Diodos	
  	
  
Objetivos	
  
• Introduzir	
  conceitos	
  básicos	
  sobre	
  diodos	
  e	
  LEDs	
  
• Aprender	
  a	
  utilizar	
  um	
  LED	
  em	
  conjunto	
  com	
  uma	
  fonte	
  de	
  tensão	
  e	
  um	
  resistor	
  
• Montar	
  e	
  analisar	
  circuitos	
  com	
  diodos:	
  ceifador	
  e	
  retificador	
  de	
  meia-­‐onda	
  (e,	
  opcionalmente,	
  retificador	
  de	
  onda	
  completa)	
  	
  
Lista	
  de	
  material	
  
• Osciloscópio	
  e	
  gerador	
  de	
  sinais	
  
• Resistores	
  R1	
  =	
  1kΩ,	
  R2	
  =	
  470Ω	
  
• 4	
  diodos	
  1N4148	
  e	
  2	
  LEDs	
  de	
  mesma	
  cor	
  (vermelho	
  ou	
  amarelo)	
  
Roteiro	
  da	
  experiência	
  1) Monte	
  o	
  circuito	
  abaixo	
  e	
  meça	
  a	
  tensão	
  VD	
  e	
  a	
  corrente	
  I	
  no	
  LED.	
  Preencha	
  a	
  Tabela	
  1.	
  Repita	
  o	
  exercício	
  substituindo	
  o	
  resistor	
  por	
  R2.	
  Ao	
   final,	
   desligue	
   a	
   fonte	
  de	
   tensão	
   contínua	
   (pois	
  esta	
  não	
  será	
  mais	
  usada	
  no	
  restante	
  da	
  experiência).	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  2) Siga	
  os	
  procedimentos	
  abaixo.	
  	
  a) Utilizando	
   o	
   gerador	
   de	
   sinais	
   e,	
   com	
   ajuda	
   do	
   osciloscópio,	
   produza	
   uma	
   onda	
   quadrada	
  com	
  f	
  =	
  1kHz	
  ,	
  Vmin	
  =	
  -­‐5V	
  e	
  Vmax	
  =	
  5V.	
  Mostre-­‐a	
  no	
  CH1	
  do	
  osciloscópio	
  (lembrando-­‐se	
  sempre	
  de	
  utilizar	
  escalas	
  de	
  tensão	
  e	
  tempo	
  adequadas).	
  b) Monte	
   o	
   circuito	
   abaixo,	
   onde	
   a	
   fonte	
   de	
   tensão	
   vin(t)	
   representa	
   a	
   tensão	
   na	
   saída	
   do	
  gerador	
   de	
   sinais.	
   Os	
   pontos	
   rotulados	
   como	
   “CH1”	
   e	
   “REF”	
   indicam	
   onde	
   devem	
   ser	
  conectadas,	
   respectivamente,	
   as	
   garras	
   vermelha	
   e	
   preta	
   da	
   ponteira	
   do	
   osciloscópio.	
  Observe	
  que	
  os	
  LEDs	
  possuem	
  polaridades	
  opostas.	
  	
  
	
  	
   c) Diminua	
  gradativamente	
  a	
   frequência	
  do	
  gerador	
  de	
  sinais	
   (até	
  cerca	
  de	
  1Hz)	
  e	
  observe	
  o	
  resultado.	
  Explique	
  o	
  que	
  acontece.	
  Experimente	
  também	
  com	
  uma	
  onda	
  senoidal.	
  	
  3) Neste	
  exercício	
  você	
  irá	
  montar	
  um	
  circuito	
  limitador	
  de	
  tensão	
  (ou	
  ceifador).	
  a) Ajuste	
   o	
   gerador	
   de	
   sinais	
   para	
   onda	
   triangular	
   com	
   f	
   =	
   2.5kHz	
   ,	
   Vmin	
   =	
   -­‐3V	
   e	
   Vmax	
   =	
   3V.	
  Mostre	
   a	
   saída	
   do	
   gerador	
   de	
   sinais	
   no	
   CH1	
   do	
   osciloscópio,	
   deixando	
   o	
   CH2	
   desligado.	
  
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  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   6/10	
  
Utilize	
  as	
  escalas	
  de	
  tensão	
  e	
  tempo	
  mais	
  adequadas	
  para	
  visualização	
  (nesse	
  caso,1V/div	
  e	
  100µs/div	
  são	
  uma	
  boa	
  escolha).	
  Ajuste	
  as	
  posições	
  horizontais	
  de	
  forma	
  que	
  o	
  sinal	
   fique	
  perfeitamente	
  centralizado	
  na	
  tela.	
  b) Esboce	
   o	
   sinal	
   observado	
   (de	
   preferência,	
   a	
   lápis)	
   utilizando	
   traço	
   leve	
   ou	
   tracejado.	
  Indique	
  as	
  escalas	
  de	
  tensão	
  e	
  tempo	
  utilizadas	
  e	
  marque	
  no	
  gráfico	
  a	
  referência	
  de	
  tensão	
  (a	
  qual	
   deve	
   estar	
   em	
   0V).	
   Indique	
   também	
   (na	
   lateral	
   do	
   gráfico)	
   os	
   valores	
   máximo	
   e	
  
mínimo	
  do	
  sinal.	
  c) Monte	
  o	
  circuito	
  abaixo,	
  mostrando	
  a	
  saída	
  do	
  gerador	
  de	
  sinais	
  no	
  CH1	
  (com	
  a	
  garra	
  preta	
  em	
  REF)	
  e	
  a	
   tensão	
  no	
  diodo	
  no	
  CH2	
  (não	
  é	
  necessário	
  conectar	
  a	
  garra	
  preta	
  da	
  segunda	
  ponteira).	
  Observe	
  que	
  o	
  diodo	
  utilizado	
  não	
  é	
  um	
  LED.	
  Deixe	
  ambos	
  os	
  canais	
  na	
  mesma	
  
escala	
  e	
  na	
  mesma	
  posição	
  horizontal.	
  	
  	
  
	
  	
   d) Complete	
  o	
  gráfico	
  da	
  questão	
  3.b),	
  esboçando	
  o	
  sinal	
  no	
  CH2	
  superposto	
  ao	
  sinal	
  no	
  CH1.	
  Utilize	
   traço	
   forte.	
   Ligue	
   e	
  desligue	
   cada	
   canal	
   individualmente	
  para	
  melhor	
   visualização.	
  Indique	
   os	
   valores	
   máximo	
   e	
   mínimo	
   do	
   novo	
   sinal	
   (utilize	
   cursores	
   para	
   fazer	
   essa	
  medição).	
  e) Através	
  do	
  osciloscópio,	
  estime	
  a	
  tensão	
  de	
  limiar	
  do	
  diodo	
  utilizado.	
  f) O	
  que	
  você	
  acha	
  que	
  deve	
  acontecer	
   com	
  o	
   sinal	
  no	
  CH2	
   se	
  você	
   inverter	
   a	
  polaridade	
  do	
  diodo?	
  Experimente	
  e	
  em	
  seguida	
  descreva	
  resultado	
  observado,	
  fazendo	
  uso	
  de	
  um	
  esboço	
  (qualitativo)	
  para	
  ajudar	
  na	
  descrição.	
  	
  g) O	
  que	
  você	
  acha	
  que	
  deve	
  acontecer	
  com	
  o	
  sinal	
  no	
  CH2	
  se	
  você	
  adicionar,	
  em	
  paralelo,	
  um	
  novo	
  diodo	
  na	
  polaridade	
  oposta	
  (circuito	
  semelhante	
  ao	
  da	
  questão	
  2)?	
  Experimente	
  e	
  em	
  seguida	
  descreva	
  resultado	
  observado,	
  fazendo	
  uso	
  de	
  um	
  esboço	
  (qualitativo)	
  para	
  ajudar	
  na	
  descrição.	
  	
  4) Neste	
  exercício	
  você	
  irá	
  montar	
  um	
  circuito	
  retificador	
  de	
  meia-­‐onda.	
  a) Mantenha	
  o	
  gerador	
  de	
  sinais	
  e	
  o	
  osciloscópio	
  na	
  mesma	
  configuração	
  do	
  exercício	
  anterior.	
  b) Monte	
   o	
   circuito	
   abaixo	
   (requer	
   apenas	
   trocar	
   de	
   posição	
   o	
   diodo	
   e	
   resistor)	
   e	
   esboce	
   os	
  sinais	
  observados,	
  indicando	
  seus	
  valores	
  máximo	
  e	
  mínimo.	
  	
  
	
  	
   c) Você	
  conseguiria	
  explicar	
  por	
  que	
  o	
  sinal	
  observado	
  na	
  saída	
  (CH2)	
  é	
  um	
  pouco	
  diferente	
  do	
  que	
   se	
   esperaria	
   de	
   um	
   retificador	
   de	
   meia-­‐onda	
   ideal?	
   Para	
   ajudá-­‐lo	
   a	
   responder	
   essa	
  questão,	
  ajuste	
  a	
  posição	
  vertical	
  do	
  CH2	
  de	
  forma	
  que	
  os	
  sinais	
  se	
  “encontrem”,	
  lembrando	
  que	
  a	
  Lei	
  das	
  Malhas	
  também	
  é	
  válida	
  para	
  tensões	
  que	
  variam	
  no	
  tempo.	
  	
  5) 	
  [OPCIONAL]	
  Neste	
  exercício	
  você	
  irá	
  montar	
  um	
  circuito	
  retificador	
  de	
  onda	
  completa.	
  a) Mantenha	
  o	
  gerador	
  de	
  sinais	
  e	
  o	
  osciloscópio	
  na	
  mesma	
  configuração	
  do	
  exercício	
  anterior.	
  Remova	
  a	
  ponteira	
  do	
  CH2	
  e	
  desligue-­‐o.	
  Apenas	
  o	
  CH1	
  será	
  usado	
  neste	
  exercício.	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   7/10	
  
b) Monte	
  o	
  circuito	
  abaixo.	
  (Sugestão:	
  utilize	
  linhas	
  horizontais	
  da	
  protoboard	
  como	
  sendo	
  os	
  nós	
  superior	
  e	
  inferior	
  do	
  circuito.	
  Conecte	
  as	
  garras	
  do	
  gerador	
  de	
  sinais	
  diretamente	
  nos	
  terminais	
  dos	
  diodos,	
  após	
  montar	
  o	
  restante	
  do	
  circuito.)	
  	
  
	
  	
   c) Explique	
  o	
  efeito	
  do	
  circuito	
  no	
  sinal	
  observado	
  determinando	
  os	
  valores	
  máximo	
  e	
  mínimo	
  e	
  período	
  do	
  sinal?	
  Ajuste	
  o	
  TRIGGER	
  caso	
  necessário.	
  	
   	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   8/10	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   9/10	
  
Aluno(a):	
  ______________________________________________________.	
   Turma:	
  ______________________	
  Matrícula:	
  _______________________	
  Data:	
  _____/_____/__________	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Nota:	
  ________________________	
  	
  
Tabela 1 	
  	
  	
  
	
  
	
  
Questão 2.c) 	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
	
  	
  
Questão 3.b) e Questão 3.d) 	
  	
  	
  	
  
	
  
	
  
Questão 3.e) VD	
  ≈	
  _______________.	
  
 
Questão 3.f) 
 	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
 
	
   VD	
   I	
  
R1	
   	
   	
  
R2	
   	
   	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  7	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   10/10	
  
Questão 3.g) 	
  	
  	
  	
  	
  	
  
	
  	
  
Questão 4.b) 
 
 
 
	
  
 
Questão 4.c) 
 	
  	
  	
  	
  	
  	
  
 
Opcional: Questão 5.c) 
 	
  	
  	
  	
  	
  	
  
 
Questão de preparação Quais	
  as	
  principais	
  diferenças	
  entre	
  uma	
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