Caracterização do Diodo - Atividade de Laboratório

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Ministério da Educação
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Campus Toledo
	
Disciplina: Eletrônica Analógica 1				Professor: Fábio Rizental Coutinho
Instruções das práticas em Laboratório:
-Sempre devolvam os materiais nos seus devidos lugares do jeito que você encontrou
- Quando o circuito estiver montado e funcionando, a equipe apresenta o funcionamento do circuito mostrando forma de ondas ou medições de multímetro, para que o professor dê o visto na prática.
-As tabelas e gráficos deste documento são apenas para rascunhos. Utilize os documentos de folhas de respostas deste laboratório para colocar os gráficos e medições finais
-As folhas de respostas só serão corrigidas se estiverem com o visto do professor
Experiência: Caracterização do Diodo Zener, Circuitos Limitador e Grampeador
1 Materiais e equipamentos
Para esta experiência os seguintes materiais listados na Tabela 4 serão utilizados:
	Quantidade
	Componente
	1
	Resistor de 100 kΩ 1/8 W
	1
	Capacitor eletrolítico de 1 uF
	1
	Resistor de 270 Ω 1/8 W
	2
	Resistor de 1 kΩ 1/8 W
	1
	Amplificador Operacional 741
	2
	Diodo zener (modelo a ser definido pelo professor)
	1
	Diodo 1N4148
	2
	Multímetro
	1
	Fonte dupla de 0 a 30 V
	1
	Matriz de contatos (protoboard)
	1
	Osciloscópio 
	2
	Pontas de prova de osciloscópio
	1
	Ponta de prova do gerador 
	1
	Gerador de Funções
Tabela 1: Lista de componentes utilizados no laboratório de zener
2 Caracterização do Diodo zener
O diodo zener é um tipo especial de junção PN que possui um VD,on negativo que pode ser escolhido de acordo com o modelo de diodo utilizado. Essa tensão em que ocorre a condução na polarização reversa é chamada de tensão zener e ela caracteriza o diodo zener. Idealmente, um diodo zener quando opera na região de polarização reversa é equivalente a uma fonte de alimentação de corrente contínua (CC). Em uma segunda aproximação, é como se fosse uma fonte CC com uma pequena impedância interna. Sua principal vantagem é manter a tensão nos seus terminais aproximadamente constante.
Nesta prática iremos utilizar os modelos de diodo zener que o professor designou para cada equipe. 
Monte o circuito de polarização do diodo zener da Figura 1. Meça e anote a tensão de saída e a corrente no zener, para cada valor de tensão de entrada listada nas Tabela 2 e Tabela 3. Lembre-se que para os valores negativos de V1 deve-se inverter os terminais da fonte no circuito da Figura 1.
Com os valores medidos de IZ e VZ, calcule a resistência do diodo zener RZ para as duas tabelas. 
Para a Tabela 2 calcule também a resistência de pequenos sinais do diodo zener, rZ. Essa resistência é obtida pelo inverso da derivada da curva de IZ por VZ. Para estimar a derivada iremos fazer rz=ΔVZ/ΔIZ. Por exemplo, para encontrar o rZ da última linha onde V1= -20 V, ΔVZ =VZ(V1=-20V) - VZ(V1=-18V) e ΔIZ= IZ(V1=-20V) - IZ(V1=-18V) e assim por diante para as demais linhas.
Com os valores de VZ e IZ medidos, desenhe a curva do diodo zener no gráfico da Figura 2.
Encontre o valor de VZ0 do seu diodo zener. Para isso basta traçar uma reta auxiliar dos pontos de VZ = -6,0 a -20 V com uma régua e verifique em que ponto a reta cruza o eixo da tensão VZ. Esse ponto será o valor estimado de VZ0.
Estime também o valor de rZ do diodo zener fazendo a média dos valores calculados para V1=-10 V a -20 V. Verifique no datasheet do diodo zener qual o valor de rZ máximo que o fabricante garante e se o valor medido está dentro do estipulado no datasheet.
Figura 1: Circuito de polarização direta do diodo zener
	V1(Volts)
	VZ(Volts)
	IZ(mA)
	RZ=VD/ID(Ω)
	rz=ΔVZ/ΔIZ(Ω)
	0,0
	
	
	
	
	-0,5
	
	
	
	
	-1,0
	
	
	
	
	-2,0
	
	
	
	
	-4,0
	
	
	
	
	-5,0
	
	
	
	
	-6,0
	
	
	
	
	-8,0
	
	
	
	
	-10,0
	
	
	
	
	-12,0
	
	
	
	
	-14,0
	
	
	
	
	-16,0
	
	
	
	
	-18,0
	
	
	
	
	-20,0
	
	
	
	
Tabela 2: Valores de tensão, corrente e resistência no diodo zener com polarização reversa.
	Vi(Volts)
	VZ(Volts)
	IZ(mA)
	RZ=VZ/IZ(Ω)
	rZ=VT /IZ(Ω)
	0.0
	
	
	
	
	0.5
	
	
	
	
	1.0
	
	
	
	
	2.0
	
	
	
	
	4.0
	
	
	
	
	6.0
	
	
	
	
	8.0
	
	
	
	
Tabela 3: Valores de tensão, corrente e resistência no diodo zener com polarização direta.
Figura 2: Curva característica do diodo zener.
3 Aplicações do diodo zener: Circuito limitador
Os circuitos limitadores são muito utilizados atualmente para prover proteção a circuitos sensíveis limitando a tensão máxima que eles recebem. Além de prover proteção, os limitadores também são utilizados para estabilizar circuitos osciladores e em circuitos de recepção de rádio.
Estime os valores de pico positivo e negativo da tensão de saída, do circuito da Figura 3 (utilize o modelo de diodo zener fornecido pelo professor).
Monte o circuito limitador conforme a Figura 3.
3.	Meça e anote os valores de pico positivo e negativo do sinal de saída (CH2).
4.	Meça e desenhe a forma de onda na entrada, CH1, (tracejado) e na saída, CH2, (linha cheia) no gráfico da Figura 4.
5.	Obtenha a função de transferência no osciloscópio e desenhe-a na Figura 5. (Dica: Para obter a função de transferência você deve colocar o osciloscópio no modo X-Y, para isso pressione Menu/Zoom-> Base de Tempo->E continue pressionando Base de Tempo para escolher a opção X-Y.
Figura 3: Circuito limitador com zener.
Figura 4: Tensão de Entrada e Saída do circuito limitador com zener.
Figura 5: Curva de transferência do circuito limitador com zener.
4 Projeto por curva de transferência
Projete um circuito que implemente a função de transferência da Figura 6 utilizando apenas fontes e o diodo 1N4007.
Monte o circuito e use como entrada uma onda triangular de 10 V de pico e 100 Hz. Usando o osciloscópio verifique se a função de transferência corresponde ao que foi pedido.
Esboce o gráfico da tensão triangular no tempo em fase com a tensão da saída do circuito.
Esse mesmo circuito pode ser realizado sem utilizar fontes de tensão contínua através de diodos zener. Reprojete o circuito para que ao invés de fontes de tensão contínua, utilize os diodos zener de tensão 5,6 V e 2,7 V. Não é necessário montar o circuito projetado e basta que o circuito projetado implemente a parte positiva da curva da Figura 6.
Figura 6: Curva de transferência do circuito a ser projetado
5 Circuito Deslocador de Nível ou Grampeador de tensão
Em um circuito deslocador de nível ou grampeador, um capacitor é carregado com um valor próximo da tensão de pico da entrada (VP). Uma vez carregado o capacitor se comporta como uma fonte de tensão contínua em série com a tensão de entrada, dessa forma o que se tem na saída é a soma dessas duas tensões. Como o sinal de entrada é senoidal e o sinal do capacitor contínuo o que se mede na saída é a tensão alternada variando simetricamente sobre o valor de tensão contínua, ou seja, é como se o sinal de entrada estivesse "grampeado" no nível contínuo do estabelecido pelo capacitor.
 
Estime os valores de pico positivo, negativo e tensão média de saída do circuito da Figura 7 (considere VD, ON=0,8V). Anote os valores calculados na Tabela 7.
	Circuito
	Valores Calculados
	Valores Simulados
	Valores Medidos
	
	+VP
	-VP
	Valor médio
	+VP
	-VP
	Valor médio
	+VP
	-VP
	Valor médio
	Grampeador Positivo
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Grampeador Negativo
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Tabela 7: Valores estimados e medidos para os grampeadores positivo e negativo
Monte o circuito do grampeador positivo da Figura 7. Configure o gerador até obter 1 kHz e 2 V de pico. Dica: Ajuste o gerador medindo o valor de pico pelo CH1 do osciloscópio pois o mostrador do gerador não é muito preciso. Além disso, para maio precisão da medida faça com que a onda do gerador ocupe o máximo de espaço na tela do osciloscópio.
Figura 7: Circuito grampeador positivo
Esboceos sinais de entrada (CH1) e saída (CH2) em fase mostrados no osciloscópio na Figura 8. CUIDADO: certifique-se que o CH2 está no modo DC (aperte o botão "2" e depois selecione DC) senão os sinais de entrada e saída serão iguais.
Figura 8: Sinais de entrada e saída do grampeador positivo
Meça os valores de pico positivo, negativo e tensão média de saída do circuito da Figura 7. Para maior precisão dos resultados configure a onda mostrada no osciloscópio para que ocupe o máximo da tela. Para medir o valor médio use o VAVG na função Measure do osciloscópio.
Reduza o valor de R1 para 1 kΩ. O que aconteceu com a onda da saída. Justifique.
Modifique o circuito conforme a Figura 9, adicionando um amplificador operacional entre o diodo e a carga (R1). O que acontece com a tensão na saída do circuito. Justifique.
Figura 9: Circuito grampeador com amplificador operacional
Suponha que a polaridade do diodo do circuito da Figura 7 seja invertida. Estime e anote na Tabela 7 os valores de pico positivo, negativo e tensão média da saída (Ch2).
Monte o circuito do grampeador negativo invertendo a polaridade do diodo D2 no circuito montado da Figura 7. Configure o gerador até obter 1 kHz e 2 V de pico. Dica: Ajuste o gerador medindo o valor de pico pelo CH1 do osciloscópio pois o mostrador do gerador não é muito preciso. Além disso, para maio precisão da medida faça com que a onda do gerador ocupe o máximo de espaço na tela do osciloscópio.
Esboce os sinais de entrada (CH1) e saída (CH2) em fase mostrados no osciloscópio. CUIDADO: certifique-se que o CH2 está no modo DC (aperte o botão "2" e depois selecione DC) senão os sinais de entrada e saída serão iguais.
Meça os valores de pico positivo, negativo e tensão média de saída do circuito do grampeador negativo. Para maior precisão dos resultados configure a onda mostrada no osciloscópio para que ocupe o máximo da tela. Para medir o valor médio use o VAVG na função Measure do osciloscópio.
Figura 10: Sinais de entrada e saída do grampeador negativo
6 Circuito Gerador de Referência
Podemos melhorar a regulação do diodo zener combinando-o com um amplificador operacional. Isto pode-se ser feito colocando um amplificador operacional não-inversor entre o diodo zener e a carga, como na Figura 11.
 
Figura 11: Gerador de referência com zener e amplificador operacional de ganho unitário
Acrescentando os resistores para controlar o ganho de tensão do circuito da Figura 11 pode-se obter qualquer valor de Vref independente do valor de tensão do diodo zener como na .
Figura 12: Gerador de referência com zener e amplificador operacional
1.Utilizando o modelo do diodo zener escolhido para sua equipe projete os valores de R, R1 e R2 para que Vref= 10V. Dica: utilize o datasheet do zener para projetar o valor de R. Utilize um potenciômetro no lugar de R1 para ajustar com bastante precisão a tensão em Vref.
2. Varie a tensão de entrada V1 e verifique a variação que ocorre em Vref . Obtenha a regulação de linha do circuito.
3. Varie a resistência RL (experimente reduzir pela metade) e verifique a variação na tensão Vref. Obtenha a regulação de carga do circuito.
4. Altere o circuito montado para o da Figura 13.
5. Experimente alterar o valor da tensão de alimentação de 15 V e verifique a variação em Vref. Obtenha a regulação de linha.
6. Varie a resistência RL (experimente reduzir pela metade) e verifique a variação na tensão Vref. Obtenha a regulação de carga do circuito.
Figura 13: Gerador de referência auto-alimentado