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Versão Original da Apostila por: Prof. Márcio do Carmo B. P. Rodrigues Modificada e Atualizada por: Prof. Ricardo Viol dos Santos Março/2018 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação Sumário Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica - Parte 1 Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 4 Roteiro da Prática .................................................................................................... ........................................... 5 Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica - Parte 2 Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 9 Roteiro da Prática .................................................................................................... ........................................... 10 Prática 03: Curva Característica de um Diodo Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 14 Roteiro da Prática ................................................................................................... ............................................ 16 Prática 04: Circuitos Retificadores Trabalho Preparatório ....................................................................................................... ................................. 18 Roteiro da Prática .......................................................................................................... ..................................... 20 Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 23 Roteiro da Prática ................................................................................................... ............................................ 25 Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 28 Roteiro da Prática ................................................................................................... ............................................ 30 Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada Trabalho Preparatório ....................................................................................................... ................................. 35 Roteiro da Prática .......................................................................................................... ..................................... 37 Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) Trabalho Preparatório ............................................................................................................................. ........... 43 Roteiro da Prática ............................................................................................... ................................................ 44 3 Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 50 Roteiro da Prática ................................................................................................... ............................................ 51 Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) Trabalho Preparatório ................................................................................................................................ ........ 55 Roteiro da Prática ................................................................................................... ............................................ 56 Prática 11: Dispositivos Optoeletrônicos Trabalho Preparatório ....................................................................................................... ................................. 60 Roteiro da Prática .......................................................................................................... ..................................... 61 Referências Bibliográficas 66 Eletrônica Analógica Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 4 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 01; 2. Determine por meio da análise matemática e de sua simulação computacional os valores teóricos, esperados nas medições a serem realizadas na Prática 01, preenchendo a tabela a seguir. + - 10 V R 1 R 2 1 k 2,2 k Figura 1 – Circuito CC Série Tabela 1 – Valores para o Circuito CC Valor Calculado Valor Simulado Tensão em R1 (1 kΩ) Tensão em R2 (2,2 kΩ) Corrente no circuito 3. Preencha a Folha de Resposta 01 e envie ao professor em PDF. Eletrônica Analógica Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 5 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 ROTEIRO DA PRÁTICA 1.1. Objetivo Proporcionar ao estudante um primeiro contato com os principais instrumentos de medição, componentes e equipamentos utilizados em um Laboratório de Eletrônica, introduzindo seus princípios básicos de operação. 1.2. Lista de Material Resistores de 1 kΩ; 2,2 kΩ; 47 kΩ; 56 kΩ e 1 MΩ; Ohmímetro, voltímetro e amperímetro (ou multímetro - VAΩ); Fonte CC Ajustável + Cabo de Força; Matriz de contatos; Dois pares de cabos banana-jacaré; Um par de cabos banana-ponteira. 1.3. Procedimento Experimental Identificação de Resistores 1.3.1. O elemento mais básico de circuitos elétricos é o resistor. O valor da resistência elétrica, dado em Ohm (cujo símbolo é Ω), deste tipo de componente é fixo. São encontrados resistores apresentando resistência elétrica desde alguns centésimos de Ω até mais de milhões de Ω. O valor da resistência elétrica de um resistor é representado em seu corpo, através de um código de cores, conforme mostrado na Fig. 1.1 [1]. O valor atribuído a cada cor é apresentado na Tab. 1.1. 1ª e 2ª Faixas: indicam os dois primeiros algarismos do valor nominal da resistência; 3ª Faixa: indica o valor multiplicativo do valor nominal da resistência; 4ª Faixa: indica a tolerância do valor nominal da resistência.Fig. 1.1 – Representação do código de cores em um resistor. Eletrônica Analógica Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 6 Tab.1.1 – Código de cores para resistores. COR 1ª Faixa (1º dígito) 2ª Faixa (2º dígito) 3ª Faixa (fator multiplicativo) 4ª Faixa (tolerância) Preto - 0 (x100) - Marrom 1 1 (x101) 1% Vermelho 2 2 (x102) 2% Laranja 3 3 (x103) - Amarelo 4 4 (x104) - Verde 5 5 (x105) - Azul 6 6 (x106) - Violeta 7 7 - - Cinza 8 8 - - Branco 9 9 - - Ouro - - (x10-1) 5% Prata - - (x10-2) 10% - - - - 20% Exemplo: Marrom – Preto – Vermelho – Ouro: as duas primeiras cores formam um número de dois dígitos (marrom é 1 e preto é 0). Portanto, temos o número 10. O vermelho na 3ª faixa indica que devemos multiplicar esse número por 102. Portanto, o valor da resistência é 10 x 10² = 1000 Ω, com tolerância de 5% (cor ouro na 4ª faixa). Caso tenha dificuldade ao ler as cores, utilize a fórmula: VALOR = [ 10 x (1ª COR) + (2ª COR) ] x 10 (3ª COR) VALOR = (10 x Marrom + Preto) x 10Vermelho = (10 x 1 + 0) x 102 = 10 x 10² = 1000 Ω Identifique cada resistor do conjunto fornecido, anotando na Tab. 1.2 os valores correspondentes ao código de cores impresso em seus corpos. Estes valores são chamados de valores nominais. Tab. 1.2 – Valores nominais de resistência dos resistores Valor Nominal (Código de Cores) Valor Ôhmico (Ohmímetro) Resistência () Tolerância (%) Resistência () Desvio (%) Resistor 1 Resistor 2 Resistor 3 Resistor 4 Resistor 5 Eletrônica Analógica Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 7 O valor real, chamado de valor ôhmico, pode ser medido através de um instrumento denominado ohmímetro. Meça a resistência elétrica de cada resistor utilizando o ohmímetro e preencha as colunas correspondentes na Tab. 1.2. Associação de Resistores 1.3.2. Para montar circuitos e realizar as práticas, iremos utilizar uma matriz de contatos conhecida como “protoboard”, que possui contatos elétricos entre linhas ou colunas. A forma mais comum de contatos de um protoboard é mostrada na Fig. 1.2. Fig. 1.2– Protoboard (matriz de contatos). Coloque os resistores de 1 kΩ e 2,2 kΩ em série e meça com o ohmímetro a resistência equivalente. O valor encontrado deve ser próximo a 3,2 kΩ; Coloque os resistores de 47 kΩ e 56 kΩ em paralelo e meça a resistência equivalente. O valor encontrado deve ser próximo a 25,5 kΩ. Circuito de Corrente Contínua 1.3.3. Iremos utilizar o módulo de fonte de corrente contínua, exibido na Fig. 1.3. Estes módulos possuem ao todo três fontes CC: uma fonte de valor fixo igual a 5V e duas fontes independentes cujo valor pode ser ajustado entre 0 V e 30V. Fig. 1.3 – Módulo CC Eletrônica Analógica Prática 01: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 1 8 Monte o circuito da Fig. 1.4 na protoboard. Para isso, ajuste a fonte de tensão CC em 10 V. + - 10 V R 1 R 2 1 k 2,2 k Fig. 1.4– Circuito resistivo em corrente contínua. Calcule os valores esperados para as tensões de cada resistor e anote-os na Tab. 1.3. Calcule o valor da corrente elétrica, em Ampère (A), que circula pelo circuito e anote o valor encontrado na Tab. 1.4. Tab. 1.3 – Tensões nos resistores do circuito sob ensaio. Tensão Calculada (V) Tensão Medida (V) R1 (1 kΩ) R2 (2,2 kΩ) Tab.1.4 – Corrente elétrica no circuito sob ensaio. Corrente calculada (A) Corrente medida (A) Após montar o circuito na protoboard, meça as tensões nos resistores, conectando o voltímetro em paralelo com cada um dos componentes, conforme ilustrado nas Fig. 1.5 (a) e Fig. 1.5 (b). Anote estes valores na Tab. 1.3. + - 10 V R 1 R 2 1 k 2,2 k V + - + - 10 V R 1 R 2 1 k 2,2 k - V + (a) (b) + - 10 V R2 1 k 2,2 k A +- i (c) Fig. 1.5– Medição de tensão e corrente elétrica. (a) Tensão em R1; (b) Tensão em R2; (c) Corrente no Circuito Meça a corrente elétrica. Para isso, desligue a fonte e conecte, em série com os resistores e a fonte, um amperímetro, como mostrado na Fig. 1.5 (c). Eletrônica Analógica Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 9 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 02; 2. Simule o circuito da Figura 2.1 e preencha a Tabela 2.1 abaixo. Fig. 2.1 – Circuito resistivo em corrente alternada. Tab. 2.1 – Tensões medidas no circuito CA. Tensão de Pico (V) Tensão Pico- a-Pico (V) Tensão Eficaz (V) Tensão Média (V) Período (ms) Tensão da Fonte Tensão em R2 3. Simule três fontes (uma de onda senoidal, através do VSIN; uma triangular e outra quadrada, ambas pelo VPULSE), uma de cada vez, em série com uma resistência de 1 Ω, valor de pico de 5 V, com valor médio igual a zero e frequência de 1 kHz. Preencha a Tabela 2.2 para um tempo total de simulação no qual seja possível visualizar apenas quatro períodos completos. Tab. 2.2 – Gerador de Sinais Onda Senoidal Onda Triangular Onda Quadrada Tensão pico- a-pico (V) Tensão RMS (V) Tensão pico- a-pico (V) Tensão RMS (V) Tensão pico- a-pico (V) Tensão RMS (V) 4. Preencha a Folha de Resposta 02 e envie ao professor em PDF. Eletrônica Analógica Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 10 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 ROTEIRO DA PRÁTICA 2.1. Objetivo Proporcionar ao estudante um primeiro contato com os principais instrumentos de medição, componentes e equipamentos utilizados em um Laboratório de Eletrônica, introduzindo seus princípios básicos de operação. 2.2. Lista de Material Transformador 127/6+6 V + cabo de alimentação + 2 jumpers; Multímetro VAΩ + par de cabos banana-ponteira; Matriz de contatos; Resistores de 47 kΩ e 56 kΩ; Osciloscópio digital + cabo de força + uma ponteira; Gerador de sinais + cabo de força + cabo BNC-Jacaré. 2.3. Procedimento Experimental Transformador Abaixador 2.3.1. A fonte de tensão de corrente alternada (CA) será fornecida pela rede elétrica, com o uso de um transformador abaixador. Alimente o primário do transformador em 127 V (tomada) e, com o multímetro, meça as tensões eficaz e média do transformador, completando a Tab. 2.1. Após completar a tabela,guarde o multímetro e o par de cabos banana-ponteira. Tab. 2.1 – Tensões no Transformador Tensões Medidas Medições Entre os terminais extremos Entre um terminal extremo e o tap central Tensão no Primário (AT) VRMS (CA) VMÉDIO (CC) Tensão no Secundário (BT) VRMS (CA) VMÉDIO (CC) 2.3.2. Realize a montagem do circuito da Fig. 2.1 na protoboard. Perceba que a fonte senoidal em questão é o secundário do transformador (lado de BT) e esta tensão corresponde à tensão entre os terminais externos. Eletrônica Analógica Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 11 2.3.3. Realize a montagem do circuito da Fig. 2.1 na protoboard. Perceba que a fonte senoidal em questão é o secundário do transformador (lado de BT) e esta tensão corresponde à tensão entre os terminais extremos. Fig. 2.1 – Circuito resistivo em corrente alternada. 2.3.4. Agora iremos utilizar o osciloscópio, que é um instrumento de medição que permite visualizar formas de onda de tensão. Na Fig. 2.2 é ilustrado o painel frontal de um osciloscópio digital, destacando suas principais funções (que serão utilizadas nesta prática). Identifique-as no osciloscópio que se encontra na sua bancada. Fig. 2.2– Osciloscópio digital: painel frontal, principais funções. ATENÇÃO NÃO conecte a ponteira do osciloscópio ao primário do transformador nem aos bornes da fonte trifásica existente na bancada (se for o caso). NÃO conecte as garras jacaré (gnd) dos canais do osciloscópio a diferentes pontos do circuito. Caso os procedimentos descritos acima não forem observados, pode haver dano ao osciloscópio, às ponteiras e aos elementos do circuito. Eletrônica Analógica Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 12 2.3.5. Meça a tensão da fonte alternada com o auxílio do osciloscópio. Para isso: Conecte a ponteira de medição no circuito conforme indicado na Fig. 2.3(a); Fig. 2.3 – Medição de tensão no circuito CA utilizando o osciloscópio. Ajuste a escala horizontal (tempo) em 5 ms e a escala vertical (tensão) em 10 V do canal que está sendo utilizado; Regule o nível de trigger de modo que a forma de onda fique “parada” na tela caso ela esteja em “movimento”. Há duas formas de se fazer medições utilizando o osciloscópio: (i) observando a tela e coletando os valores visualmente se orientando pela escala graduada; (ii) através do menu MEASURE. 2.3.6. Meça, utilizando a escala graduada do osciloscópio, o valor de pico (valor máximo) desta forma de onda e o anote na Tab. 2.2. Faça o mesmo com o valor de pico-a-pico (diferença de tensão entre o valor máximo e o valor mínimo) e com o período desta forma de onda; Tab. 2.2 – Tensões medidas no circuito CA. MEDIÇÃO PELA OBSERVAÇÃO DA ESCALA GRADUADA MEDIÇÃO UTILIZANDO O MENU MEASURE Tensão de Pico (V) Tensão Pico-a- pico (V) Período (ms) Tensão de Pico (V) Tensão Pico-a- pico (V) Período (ms) Tensão Eficaz (V) Tensão Média (V) Fonte de Tensão R2 (56 kΩ) 2.3.7. Agora, meça os mesmos valores anteriores utilizando o menu “measure” (medidas). Adicionalmente, meça também o valor eficaz e a tensão média da fonte de alimentação pelo menu em questão. Anote estes valores em seus respectivos lugares da Tab. 2.2 e compare-os com os valores observados pelo uso da escala graduada do osciloscópio. 2.3.8 Repita os três passos anteriores para medir a tensão no resistor R2 (56 kΩ), conectando a ponteira do osciloscópio da forma indicada na Fig. 2.3 (b), preenchendo o restante da Tab. 2.2. Eletrônica Analógica Prática 02: Familiarização com o Laboratório de Eletrônica – Parte 2 13 2.3.9. Guarde o transformador, os jumpers, a protoboard e resistores. Gerador de Sinais 2.3.10. Diferentes formas de onda podem ser obtidas em laboratório utilizando o equipamento denominado gerador de sinais. Fig. 2.4– Gerador de Sinais: painel frontal Conecte um cabo do tipo “BNC-jacaré” na saída do gerador de sinais, ligando suas extremidades na ponteira do osciloscópio. No osciloscópio, ajuste a escala horizontal (tempo) em 250 µs e a escala vertical (tensão) em 2 V. Senóide: no gerador de sinais, selecione uma onda senoidal ( ). Utilizando os knobs do gerador de sinais, ajuste a forma de onda de tensão gerada numa senóide de 5 V de pico e freqüência igual a 1 kHz. Utilizando o menu measure do osciloscópio, meça o valor de pico- a-pico e o valor RMS do sinal gerado, anotando-os em seus respectivos locais na Tab. 2.3. Ondas Triangulares: acione, agora, o botão de “onda triangular ( )” do gerador de sinais e meça também os valores de pico-a-pico e RMS do sinal gerado, anotando-os na Tab. 2.3. Ondas Quadradas: faça o mesmo para uma onda quadrada, acionando o botão “ ” do gerador de sinais e anotando os valores na Tab. 2.3. Repita os procedimentos anteriores para sinais com frequência de 10 kHz. Caso apareça algum “?” no menu measure, altere as escalas. Tab. 2.3 – Formas de onda obtidas com o gerador de sinais. Onda Senoidal Onda Triangular Onda Quadrada Frequência (kHz) Tensão de pico-a-pico (V) Tensão RMS (V) Tensão de pico-a-pico (V) Tensão RMS (V) Tensão de pico-a- pico (V) Tensão RMS (V) 1 10 Eletrônica Analógica Prática 03 – Curva Característica de um Diodo 14 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 03: Curva Característica de um Diodo TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 03; 2. Observe que as formas de medição de corrente e tensão no diodo, nas duas partes da atividade prática, são diferentes, conforme Figuras 3.1 e 3.2 abaixo. Fig. 3.1 – Polarização direta. Fig. 3.2 – Polarização reversa. Explique as razões da utilização destas diferentes formas de arranjo de dos elementos de medição. A + - + - 470 /5W Osciloscópio Ch1 ID VD + - 470 /5W Osciloscópio Ch1 ID VD A + - Eletrônica Analógica Prática 03 – Curva Característica de um Diodo 15 3. Simule os circuitos das Figuras 3.3 e 3.4 no mesmo arquivo de PSPICE e preencha a Tabela 3.1. Utilize o modelo DBREAK para o diodo. Fig. 3.1 – Polarização direta Fig. 3.2 – Polarização reversa Tab. 3.1 – Tensões e Correntes no Diodo Tensão no Diodo Corrente no Diodo Polarização Direta Polarização Reversa 4. Relembre o uso da função “plot” do Matlab. Para isso, utilizando um conjunto de pelo menos 21 pontos, plote o gráfico da função y = x2 para o intervalo -10 ≤ x ≤ 10. 5. Preencha a Folha de Resposta 03 e envie ao professor em PDF. Eletrônica AnalógicaPrática 03: Curva Característica de um Diodo 16 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 03: Curva Característica de um Diodo ROTEIRO DA PRÁTICA 3.1. Objetivo Levantar a curva característica de um diodo. 3.2. Lista de Material Resistor de 470 Ω; Diodo 1n4007; Multímetro VA Ω; Matriz de contatos; Fonte de alimentação CC variável; Osciloscópio digital (com 1 ponta de prova); 2 Pares de Banana-Jacaré; 3.3. Procedimento Experimental 3.3.1. Com o uso de um multímetro, teste o diodo 1n4007 fornecido, verificando as indicações para polarização direta e reversa, anotando-as na Tab. 3.1. Tab. 3.1 – Testando o diodo utilizado no ensaio. Indicação do multímetro Polarização direta Polarização reversa 3.3.2. Monte o circuito da Fig. 3.1. Fig. 3.1 – Polarização direta. A + - + - 470 /5W Osciloscópio Ch1 ID VD Eletrônica Analógica Prática 03: Curva Característica de um Diodo 17 3.3.3. Ajuste, cuidadosamente, a tensão fornecida pela fonte, de modo a obter os valores de tensão direta sobre o diodo indicados na Tab. 3.2 , anotando os respectivos valores de corrente. Tab. 3.2 – Polarização direta. VD (V) 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 ID (mA) 3.3.4. Monte o circuito da Fig. 3.2. Fig. 3.2 – Polarização reversa. 3.3.5. Ajuste, cuidadosamente, a tensão fornecida pela fonte, de modo a obter os valores de tensão reversa sobre o diodo indicados na Tab. 3.3, anotando os respectivos valores de corrente. Tab. 3.3 – Polarização reversa. VD (V) 0 -5 -10 -15 -20 ID (μA) 3.3.5. A partir dos dados das tabelas 3.2. e 3.3, plote, com o auxílio do software MATLAB, a curva característica do diodo 1n4007. Utilize o comando plot. + - 470 /5W Osciloscópio Ch1 ID VD A + - Eletrônica Analógica Prática 04: Circuitos Retificadores 18 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 04: Circuitos Retificadores TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Leia atenciosamente o roteiro referente à Prática 04; 2. Faça a simulação computacional dos circuitos apresentados nas Figuras 4.1, 4.2 e 4.3, anotando os valores indicados nas Tabelas 4.1, 4.2 e 4.3. Fig. 4.1 – Transformador com tap central. Tab. 4.1 – Tensões no secundário do transformador de tap central. VS1 VS2 Valor de pico Valor de pico-a- pico Valor eficaz (RMS) Valor médio Frequência Fig. 4.2 – Retificador de meia onda. Tab. 4.2 – Medições efetuadas no circuito retificador de meia onda. 1Sv Lv Valor de pico Valor de pico-a- pico Valor eficaz (RMS) Valor médio Frequência vS1 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 1 k RL Eletrônica Analógica Prática 04: Circuitos Retificadores 19 Fig. 4.3 – Retificador de onda completa (tap central). Tab. 4.3 – Medições efetuadas no circuito retificador de onda completa (tap central). 1Sv Lv Valor de pico Valor de pico-a- pico Valor eficaz (RMS) Valor médio Frequência 3. Preencha a Folha de Resposta 04 e envie ao professor em PDF. Observação: Modelagem do Transformador no PSPICE Por simplicidade, considere o transformador com tap central como duas fontes, conectadas conforme apresentado na Fig. 4.4. Fig. 4.4 – Simulação de um transformador com tap central no PSpice 9.2 (Esquemático) Obs.: Uma vez que a relação de transformação do transformador utilizado em laboratório é 110V: 6+6 V, o valor de pico (VAMPL) de cada fonte deve ser ajustado como 10,4 V, de modo a simular sua conexão à rede de 60 Hz e de tensão nominal igual a 127 V. vS1 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 1 k RL D2 1n4007 Eletrônica Analógica Prática 04: Circuitos Retificadores 20 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 04: Circuitos Retificadores ROTEIRO DA PRÁTICA 4.1. Objetivos Observar o comportamento dos circuitos retificadores monofásicos de meia-onda e onda completa (tap central); 4.2. Lista de Material Resistores de 1k Ω; 2 diodos 1n4007; Transformador 127 V: 6 V + 6 V (2A) + 3 Jumpers; Protoboard; Osciloscópio digital (com 2 ponteiras). 4.3. Procedimento Experimental Transformador Abaixador 4.3.1. Alimente o primário do transformador em 127 V (tomada). 4.3.2. Iremos utilizar os dois canais do osciloscópio, porém conectando apenas a referência da ponteira do canal 1 do osciloscópio – garra jacaré – ao circuito. Retire a referência da ponteira do outro canal. ATENÇÃO NÃO conecte a ponteira do osciloscópio ao primário do transformador nem aos bornes da fonte trifásica existente na bancada (se for o caso). NÃO conecte as garras jacaré (gnd) dos canais do osciloscópio a diferentes pontos do circuito. Caso os procedimentos descritos acima não forem observados, pode haver dano ao osciloscópio, às ponteiras e aos elementos do circuito. Eletrônica Analógica Prática 04: Circuitos Retificadores 21 4.3.3. Com o auxílio do osciloscópio, meça as tensões no secundário do transformador com tap central, conforme indicado na Fig. 4.1, anotando os parâmetros indicados na Tab. 4.1. Fig. 4.1 – Transformador com tap central. Tab. 4.1 – Tensões no secundário do transformador de tap central. 1Sv 2Sv Valor de pico Valor de pico-a-pico Valor eficaz (RMS) Período Frequência 4.3.4. Pela utilização das duas ponteiras, podemos verificar a defasagem entre as tensões indicadas. Retificador de Meia Onda 4.3.5. Monte o circuito retificador de meia onda, mostrado na Fig. 4.2, efetuando as medições indicadas na Tab. 4.2. Salve as respectivas formas de onda. Fig. 4.2 – Retificador de meia onda. Tab. 4.2 – Medições efetuadas no circuito retificador de meia onda. 1Sv Lv Valor de pico Valor de pico-a-pico Valor eficaz (RMS) Valor médio Frequência vS1 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 1 k RL Eletrônica AnalógicaPrática 04: Circuitos Retificadores 22 4.3.6. Obtenha, também, a característica de transferência deste circuito. Desenhe essa curva no espaço a seguir. Retificador de Onda Completa com Transformador de Tape Central 4.3.7. Execute a montagem do circuito retificador de onda completa com tape central da Fig. 4.3, efetuando as medições indicadas na Tab. 4.3, salvando as respectivas formas de onda. Fig. 4.3 – Retificador de onda completa (tap central). Tab. 4.3 – Medições efetuadas no circuito retificador de onda completa (tap central). 1Sv Lv Valor de pico Valor de pico-a-pico Valor eficaz (RMS) Valor médio Frequência 4.3.8. Obtenha a característica de transferência deste circuito, desenhando-a a seguir: vS1 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 1 k RL D2 1n4007 Eletrônica Analógica Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo 23 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Leia atenciosamente o roteiro referente à Prática 5; 2. Simule o circuito da Fig. 5.1 para os valores de resistores e capacitores das Tabelas 5.1 e 5.2, preenchendo-a com os valores esperados (simulados). Obs.: “RL → ” significa “circuito sem carga”. Fig. 5.1 – Retificador de meia-onda com filtro capacitivo. Tab. 5.1 – Valores esperados para a Tensão de saída do retificador de meia-onda Sem capacitor Lv RL=1 k RL=4,7 k Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio Tab. 5.2 – Valores esperados para a tensão de saída do retificador de meia-onda com filtro capacitivo. C = 4,7 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação - Valor de pico-a-pico (V) Valor médio C = 220 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação - Valor de pico-a-pico (V) Valor médio 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 RLC + Eletrônica Analógica Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo 24 3. Simule o circuito da Fig. 5.2 para os valores de resistores e capacitores das Tabelas 5.3 e 5.4, preenchendo-a com os valores esperados (simulados). Obs.: “RL → ” significa “circuito sem carga”. Fig. 5.2 – Retificador de onda completa com transformador de tap central Tab. 5.3 – Valores esperados para a tensão de saída do retificador de onda completa (tap central) Sem capacitor Lv RL=1 k RL=4,7 k Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio Tab. 5.4 – Valores esperados para a tensão de saída do retificador de onda completa (tap central) com filtro capacitivo C = 4,7 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação - Valor de pico-a-pico (V) Valor médio C = 220 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação - Valor de pico-a-pico (V) Valor médio 4. Como medir, em laboratório, com o uso de um osciloscópio, a ondulação (ripple) de tensão na saída do retificador com filtro capacitivo? 5. Preencha a Folha de Resposta 05 e envie ao professor em PDF. 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 RLC + D2 1n4007 Eletrônica Analógica Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo 25 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo ROTEIRO DA PRÁTICA 5.1. Objetivos Observar o efeito da filtragem capacitiva na tensão de saída de um circuito retificador, bem como a influência da variação da carga sobre esta tensão. 5.2. Lista de Material Transformador 127 V: 6 V+ 6 V (2A) + Jumpers; Resistores de 1 kΩ e 4,7 kΩ; Capacitores de 4,7 µF e 220 µF; 2 diodos 1n4007; Protoboard; Osciloscópio digital (com uma ponteira). 5.3. Procedimento Experimental ATENÇÃO NÃO conecte a ponteira do osciloscópio ao primário do transformador nem aos bornes da fonte trifásica existente na bancada. NÃO conecte as garras jacaré (gnd) dos canais do osciloscópio a diferentes pontos do circuito. Caso os procedimentos descritos acima não forem observados, pode haver dano ao osciloscópio, às ponteiras e aos elementos do circuito. Os capacitores utilizados na montagem são eletrolíticos (cuidado com a polaridade!) Eletrônica Analógica Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo 26 Retificador de meia onda: 5.3.1. Monte o circuito retificador de meia-onda da Fig. 5.1 e efetue a medição do valor médio e da ondulação (V) de sua tensão de saída para cada um dos valores de capacitor de filtragem e resistência de carga indicados nas Tabelas 5.1 e 5.2. Fig. 5.1 – Retificador de meia-onda com filtro capacitivo. Tab. 5.1 – Tensão de saída do retificador de meia-onda Sem capacitor Lv RL=1 k RL=4,7 k Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio Tab. 5.2 – Tensão de saída do retificador de meia-onda com filtro capacitivo. C = 4,7 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio C = 220 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 RLC + Eletrônica Analógica Prática 05: Retificador com Filtro Capacitivo 27 Retificador de onda completa com tape central: 5.3.2. Repita o item 5.3.1 para o caso do retificador de onda completa com transformador de tap central da Fig. 5.2, anotando os valores medidos nas Tabelas 5.3 e 5.4. Fig. 5.2 – Retificador de onda completa com transformador de tap central. Tab. 5.3 – Tensão de saída do retificador de onda completa Sem capacitor Lv RL=1 k RL=4,7 k Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio Tab. 5.4 – Tensão de saída do retificador de onda completa com filtro capacitivo. C = 4,7 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio C = 220 µF Lv RL=1 k RL=4,7 k RL → Frequência de ondulação Valor de pico-a-pico (V) Valor médio 127 V 60 Hz vL D1 1n4007 RLC + D2 1n4007 Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 28 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de ForaDepartamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 06; 2. Simule cada um dos circuitos da tabela a seguir e extraia as formas de onda da tensão de entrada e da tensão de saída para cada caso. Tabela 6.1 – Circuitos Limitadores de Tensão Fig. 6.1 – Limitador positivo Fig. 6.2 – Limitador negativo Fig. 6.3 – Limitador positivo e negativo Fig. 6.4 – Limitador com Diodo Zener Fig. 6.5 – Limitador Duplo Zener 3. Preencha a Folha de Resposta 06 e envie ao professor em PDF. Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 29 Observação para a Simulação: Diodo Zener no PSPICE: modelo dbreakz; Será necessário editar o valor de tensão zener, conforme apresentado no tutorial de PSPICE e resumido a seguir: a) Selecione o elemento (este ficará em vermelho); b) Selecione na barra de menu a opção Edit Model; c) Na caixa de diálogo que será aberta, clique no botão Edit Instance Model (Text); d) Insira o texto “BV=5.1” (sem aspas) na penúltima linha e clique em OK. Atenção: Para simular circuitos com diodo zener, o diretório do arquivo (todas as pastas que compõem o endereço do local do arquivo no seu computador) não pode conter acentos gráficos; Uma vez realizado o procedimento acima, o arquivo do PSPICE não poderá ser movido de pasta no Windows nem renomeado, senão resultará em erro. A edição do modelo cria um arquivo de biblioteca que estará vinculado ao local inicial onde o arquivo estava presente. Portanto, antes de realizar o procedimento acima, salve um backup do arquivo antes de editar o modelo. Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 30 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) ROTEIRO DA PRÁTICA 6.1. Objetivos Observar o funcionamento de circuitos limitadores de tensão (também conhecidos como circuitos ceifadores). 6.2. Lista de Material Resistor de 10 k ; Diodos 1n4007 (x2) e 1n4733 (x2); Gerador de Sinais (com 1 cabo coaxial BNC/jacaré); Protoboard; Cabos para conexões; Osciloscópio digital (com 2 ponteiras). 6.3. Procedimento Experimental Gerador de Sinais 6.3.1. Com o auxílio do osciloscópio, configure o gerador de sinais para uma fonte senoidal com tensão eficaz (RMS) de 5 V e frequência de 100 Hz. Configure também no menu Measure a seguinte sequência de medidas: CH1 – Ciclo RMS (Cyc RMS); CH1 – Frequência (Freq); CH1 – Médio (Mean); CH2 – Máx; CH2 – Mín; 6.3.2. Ajuste a forma de onda de tensão no visor do osciloscópio, de maneira que seja possível visualizar ao menos um período de forma de onda. Para isso, altere as escalas e posições (vertical e/ou horizontal). Desenhe-a na Fig. 6.1, indicando a amplitude do sinal (tensão máxima e mínima) e as escalas ajustadas (horizontal e vertical). Limitador Positivo 6.3.3. Faça a montagem do circuito da Fig. 6.2 na protoboard, se atentando à forma de conexão do diodo. A fonte de alimentação senoidal será o gerador de sinais previamente ajustado. O canal 1 do osciloscópio medirá a tensão de entrada e o canal 2 a tensão de saída. Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 31 Fig. 6.1 – Forma de onda da tensão de entrada dos circuitos ceifadores Fig. 6.2 – Limitador positivo 6.3.4. Analise a forma de onda de tensão na saída do circuito limitador positivo, ajustando-a no visor conforme feito no item 6.3.2. Desenhe-a na Fig. 6.3 (a), indicando a amplitude do sinal (tensão máxima e mínima) e as escalas ajustadas (horizontal e vertical). 6.3.5. Analise a curva característica de transferência do circuito limitador positivo. Para isso, mude o a exibição dos sinais no osciloscópio para o modo XY (botão Display). Desenhe-a na Fig. 6.3 (b), indicando as escalas horizontal e vertical ajustadas. Fig. 6.3 – Forma de onda das tensões e curva característica para o limitador positivo Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 32 Limitador Negativo 6.3.6. Modifique o circuito anterior para o circuito limitador negativo da Fig. 6.4. 6.3.7. Verifique novamente a forma de onda de tensão na saída e a curva característica de transferência, desenhando-as na Fig. 6.5 (indique as escalas utilizadas para cada caso e a amplitude da tensão de saída). Fig. 6.4 – Limitador negativo Fig. 6.5 – Forma de onda da tensão de saída e da curva característica para o limitador negativo Limitador Positivo e Negativo 6.3.8. Verifique a forma de onda de tensão na saída e a curva característica de transferência para o circuito limitador positivo e negativo da Fig. 6.6, desenhando-as na Fig. 6.7 (indique as escalas utilizadas para cada caso e a amplitude da tensão de saída). Fig. 6.6 – Limitador positivo e negativo. Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 33 Fig. 6.7 – Forma de onda da tensão de saída e da curva característica para o limitador positivo e negativo Regulador Zener 6.3.9. O diodo zener é um dispositivo semicondutor projetado para operar na região reversa. Quando polarizado diretamente, ele funciona como um diodo convencional, apresentando queda direta de 0,7 V, desde que a tensão aplicada seja suficiente (maior que 0,7 V); Quando polarizado reversamente, ele apresenta queda reversa igual à VZ (tensão zener) que varia para cada modelo (veja a Tab. 6.1), desde que a tensão aplicada seja suficiente (maior que VZ); Se a polarização for insuficiente em ambos os casos, ele funciona como um circuito aberto. Tab. 6.1 – Tensões Zener de modelos comerciais Modelo Zener Tensão Zener (VZ) 1n4733 5,1 V 1n4734 5,6 V 1n4742 12 V 6.3.10. Monte o circuito limitador com zener da Fig. 6.8. Fig. 6.8 – Circuito com regulador zener 1n4733 Eletrônica Analógica Prática 06: Circuitos Ceifadores (Limitadores de Tensão) 34 6.3.11. Verifique novamente a forma de onda de tensão na saída e a curva característica de transferência, desenhando-as na Fig. 6.9 (indique as escalas utilizadas para cada caso e a amplitude da tensão de saída). Fig. 6.9 – Forma de onda da tensão de saída e da curva característica para o limitador com zener Limitador Duplo Zener 6.3.12. Verifique a forma de onda de tensão na saída e a curva característica de transferência para o circuito limitador duplo zener Fig. 6.10, desenhando-as na Fig. 6.11 (indiqueas escalas utilizadas para cada caso e a amplitude da tensão de saída). Fig. 6.10 – Limitador duplo zener Fig. 6.11 – Forma de onda da tensão de saída e da curva característica para o limitador duplo zener Eletrônica Analógica Prática 07 – Fonte de Tensão Estabilizada 35 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 07; 2. Nessa prática iremos utilizar os dois tapes extremos do transformador como tensão de entrada do retificador. Portanto, modele o secundário do transformador como uma fonte senoidal de 15 VRMS e frequência 60 Hz. 3. Simule o circuito da Fig. 7.1 (retificador de onda completa com ponte de diodos), analisando as formas de onda das tensões de entrada e de saída, preenchendo a Tab. 7.1. Fig. 7.1 – Retificador de Onda Completa em Ponte Tab. 7.1 – Medições efetuadas no retificador de onda completa Tensão Máxima Tensão Mínima Valor de pico-a-pico (V) Valor médio VS VL 4. Simule o circuito da Fig. 7.2 (retificador de onda completa com filtro capacitivo), analisando a forma de onda da tensão de saída durante o regime permanente, preenchendo a Tab. 7.2. Fig. 7.2 – Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo Eletrônica Analógica Prática 07 – Fonte de Tensão Estabilizada 36 Tab. 7.2 – Medições efetuadas no retificador de onda completa com filtro capacitivo Tensão Máxima Tensão Mínima Valor de pico-a-pico (V) Valor médio VC OBS.: A tensão mínima solicitada é o valor mínimo de tensão no regime permanente, depois que o capacitor carrega-se até o valor máximo pela primeira vez. Caso deseje utilizar o botão Cursor Min, utilize a ferramenta Zoom Area para selecionar o trecho correspondente ao regime permanente primeiro. 5. Simule a fonte de tensão com regulador zener da Fig. 7.3, sabendo que a tensão zener do 1n4742 é igual a 12 V (use o modelo dbreakz, tomando o cuidado necessário descrito no enunciado do trabalho preparatório 06). Verifique a forma de onda da tensão de saída para cada um dos valores descritos na Tab. 7.3, preenchendo-a. Fig. 7.3 – Fonte de tensão estabilizada (zener). Tab. 7.3 – Medições efetuadas na fonte de tensão estabilizada (zener) durante regime permanente RL=470 RL=1 k RL=5,6 k VC VL VC VL VC VL Tensão Máxima (V) Tensão Mínima (V) Tensão Pico a Pico (mV) Tensão Média (V) 6. Preencha a Folha de Resposta 07 e envie ao professor em PDF. vS 127 V 60 Hz vL D1 RL D2 4x 1n4007 D3D4 + 470 F DZ 1n4742 RS 150 vC Eletrônica Analógica Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada 37 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada ROTEIRO DA PRÁTICA 7.1. Objetivos Implementar fontes de tensão estabilizadas utilizando diodo zener e o circuito integrado da família LM78XX. 7.2. Lista de Material Resistores de 150 Ω, 470 Ω, 1 kΩ e 5,6 k Ω; Capacitor de 470 µF; 4 diodos 1n4007; 1 diodo zener 1n4742 (12 V); 1 LM7812; Transformador 127 V: 6 V + 6 V (2A); Protoboard; Cabos para conexões; Osciloscópio digital (com 1 ponteira). 7.3. Procedimento Experimental ATENÇÃO NÃO conecte a ponteira do osciloscópio no lado de AT do transformador. Caso os procedimentos descritos acima não forem observados, pode haver dano ao osciloscópio, às ponteiras e aos elementos do circuito. Retificador de Onda Completa com Ponte de Diodos 7.3.1. Monte o retificador de onda completa com ponte de diodos da Fig. 7.1. Verifique a forma de onda na saída, desenhando-a na Fig. 7.2, indicando a amplitude do sinal (tensão máxima e mínima) e as escalas ajustadas (horizontal e vertical). Efetue também as medições indicadas na Tab. 7.1. ATENÇÃO: As tensões VS e VL possuem diferentes referenciais, sendo impossível efetuar a medição conjunta com dois canais de osciloscópio. Efetue a medição de cada uma delas separadamente. Eletrônica Analógica Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada 38 Fig. 7.1 – Retificador de Onda Completa em Ponte Fig. 7.2 – Forma de Onda na Saída Tab. 7.1 – Medições efetuadas no retificador de onda completa Tensão Máxima Tensão Mínima Valor de pico-a-pico (V) Valor médio VS VL Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo 7.3.2. Introduza um capacitor de 470 µF em paralelo com a carga, conforme Fig. 7.3. Fig. 7.3 – Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo 7.3.3. Verifique a forma de onda na saída, desenhando-a na Fig. 7.4, indicando a amplitude do sinal (tensão máxima e mínima) e as escalas ajustadas (horizontal e vertical). Porém, dessa vez, você terá que alterar também a posição vertical para conseguir visualizar melhor a forma de onda. Portanto, anote também a posição vertical ajustada. 7.3.4. Efetue as medições indicadas na Tab. 7.2. Eletrônica Analógica Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada 39 Fig. 7.4 – Forma de Onda na Saída Tab. 7.2 – Medições efetuadas no retificador de onda completa com filtro capacitivo Tensão Máxima Tensão Mínima Valor de pico-a-pico (V) Valor médio VC Fonte de Tensão Estabilizada com Diodo Zener 7.3.5. Monte a fonte estabilizada utilizando o diodo zener 1n4742, conforme circuito da Fig. 7.5, para o resistor de 1 kΩ. Verifique a forma de onda na saída, desenhando-a na Fig. 7.6, indicando a amplitude do sinal (tensão máxima e mínima) e as escalas ajustadas (horizontal e vertical). Fig. 7.5 – Fonte de tensão estabilizada (zener). 7.3.6. Efetue as medições indicadas na Tab. 7.3 para as tensões VC e VL. Para as medições da tensão sobre o capacitor, lembre-se de ajustar a forma de onda melhor no visor do osciloscópio. vS 127 V 60 Hz vL D1 RL D2 4x 1n4007 D3D4 + 470 F DZ 1n4742 RS 150 vC Eletrônica Analógica Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada 40 Fig. 7.6 – Forma de Onda na Saída Tab. 7.3 – Medições efetuadas na fonte de tensão estabilizada (zener) VC VL RL=5,6 k RL=1 k RL=470 RL=5,6 k RL=1 k RL=470 Tensão pico- a-pico (V) Tensão Média (V) Fonte de Tensão Estabilizada com Regulador LM7812 Existem reguladores de tensão mais complexos e mais eficientesque o regulador zener, apresentados na forma de circuitos integrados, que utilizam realimentação da tensão de saída para estabilizá-la. Estes circuitos integrados apresentam, ainda, proteção contra aquecimento excessivo (thermal shutdown) e limitação de corrente interna. Como exemplo, podemos citar os reguladores de tensão LM317 (que é capaz de fornecer tensão na faixa de 1,25 V a 37 V e corrente de até 1,5 A) e os circuitos integrados da família LM78XX (capaz de fornecer corrente de até 1 A, em tensões nominais de 5 V a 24 V). A título de curiosidade, o diagrama de blocos e circuito interno dos circuitos da família LM78XX é apresentado nas Figuras 7.7 e 7.8, respectivamente. Eletrônica Analógica Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada 41 Fig. 7.7 – Diagrama de Blocos do LM78XX [4,5] Fig. 7.8 – Circuito Interno do LM78XX [4,5] Eletrônica Analógica Prática 07: Fonte de Tensão Estabilizada 42 7.3.7. Faça a montagem do circuito da fonte estabilizada utilizando o circuito integrado LM7812, conforme ilustrado na Fig. 7.9(a). A pinagem deste CI é fornecida na Fig. 7.9(b). Não dobre os terminais do LM7812 (use jumpers). (a) (b) Fig. 7.9 – Fonte de tensão estabilizada (LM7812). (a) Esquema elétrico; (b) Pinagem dos CI’s da família 78XX. 7.3.8. Efetue as medições indicadas na Tab. 7.4 para a tensão VL. Tab. 7.4 – Medições efetuadas na fonte de tensão estabilizada (LM7812) VL RL=5,6 k RL=1 k RL=470 Tensão pico- a-pico (V) Tensão Média (V) vS 127 V 60 Hz vL D1 RL D2 4x 1n4007 D3D4 + 470 F 7812 input output gnd vC Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 43 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 08; 2. Compreenda o procedimento de identificação dos terminais de um TBJ. Iremos realizar esse procedimento em laboratório. 3. Responda à questão abaixo. Para estudar a curva característica de um transistor, um estudante de Engenharia Mecatrônica resolveu utilizar o circuito da Figura 1. O objetivo desse estudo seria obter as curvas características para correntes de base nos respectivos valores de 60 µA, 70 µA e 80 µA. Figura 1 - Circuito Emissor-Comum com Polarização Fixa Contudo, o aluno se deparou com um problema em relação à limitação dos instrumentos de medidas, sendo estes um osciloscópio e um multímetro. A resolução de ambos é igual a 1 mA e, portanto, o aluno não conseguiria medir as correntes desejadas. Como ele poderia resolver a situação? Descreva para este aluno os procedimentos a serem adotados na prática, incluindo valores de interesse, e esquematize a ligação do circuito resultante para medição na Figura 1 acima. Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 44 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) ROTEIRO DA PRÁTICA 8.1. Objetivos Realizar a identificação do tipo e dos terminais de um TBJ; Levantar uma família de curvas características de saída de um TBJ. 8.2. Lista de Material Matriz de contatos (Protoboard); Transistores BC 548 e BC 556; Multímetro Digital + Par de Cabos Banana-Ponteira; Resistores de 270 Ω e 10 k Ω; Potenciômetro de 100 kΩ (linear); Fonte CC + 2 Pares de Cabos Banana-Jacaré; Osciloscópio Digital + 2 Ponteiras; Cabos para conexões. 8.3. Procedimento Experimental PARTE 1 – Identificação de um transistor 8.3.1. O TBJ é um dispositivo semicondutor de três terminais, projetado originalmente para funcionar como um amplificador: uma pequena corrente em um dos terminais (base) produz uma circulação de corrente de alta intensidade entre os outros dois terminais (coletor e emissor). 8.3.2. O TBJ é constituído por três camadas semicondutoras, podendo ser de dois tipos: NPN ou PNP. As mesmas funções podem ser executadas por ambos, mudando apenas a forma como as fontes de alimentação são conectadas no circuito. 8.3.3. O tipo do TBJ (NPN ou PNP) e os terminais (Base, Emissor ou Coletor) podem ser identificados por meio de uma representação baseada em um modelo de dois diodos, exibido na Fig. 8.1. 8.3.4. O procedimento de identificação (e teste propriamente dito) deve ser realizado com o uso de um multímetro digital ajustado na função de teste de diodos, de acordo os seguintes passos descritos a seguir. Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 45 Fig. 8.1 – Representação da construção de TBJ utilizando diodos. PASSO 01: Supor que o TBJ é do tipo NPN e identificar a base. Supondo que o TBJ seja do tipo NPN, tente identificar qual de seus terminais do TBJ é a base. Para isso, fixe a ponta de prova positiva (vermelha) em um dos terminais do TBJ e verifique se há condução quando a ponta de prova preta é conectada aos demais terminais (um de cada vez). Será o terminal base, aquele que apresentar condução em relação aos outros dois terminais do TBJ. PASSO 02: Caso seja constatado que o TBJ é do tipo PNP, identificar a base. Caso houver dois terminais que apresentem condução para apenas um dos outros terminais, o TBJ é do tipo PNP. Identifique a base do TBJ com procedimento semelhante ao descrito no PASSO 01, porém, neste caso, a base será o terminal que não apresentar condução em relação a nenhum dos demais. PASSO 03: Identificar o coletor e o emissor pela queda de tensão direta. Uma vez identificados o tipo de TBJ e qual terminal é a base, verifique as quedas de tensão direta de cada junção (JEB e JBC). A queda de tensão direta medida em relação ao terminal emissor é ligeiramente maior que a medida em relação ao terminal do coletor, pois a dopagem do emissor é maior que a do coletor. Observação: em caso de dúvida, consulte a folha de dados do fabricante. 8.3.5. Realize o procedimento acima e identifique os tipos e os terminais dos transistores fornecidos para realização desta prática, preenchendo a Tab. 8.1. n p n E C B p n p E C B JEB JBC JEB JBC E C B E C B DEB DBC DEB DBC Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 46 Tab. 8.1 – Identificação de TBJs. Transistor 1 Transistor 2 Código: Código: Tipo: Tipo: ΔVEMISSOR: ΔVEMISSOR: ΔVCOLETOR: ΔVCOLETOR:PARTE 2 – Medição dos Valores Ôhmicos 8.3.6. Com o auxílio de um multímetro, efetue a medição dos valores ôhmicos dos resistores de 270 Ω e de 10 kΩ, anotando seus valores no espaço reservado da Tab. 8.2. 8.3.7. Iremos utilizar um potenciômetro de 100 kΩ nesta prática. O potenciômetro é um resistor variável de três terminais, na qual à medida que o braço deslizante gira, o seu ponto de contato com o elemento resistivo muda, variando assim, a resistência entre o terminal do braço deslizante (meio) e os terminais da resistência fixa (exteriores). A Fig. 8.2 ilustra o comportamento do potenciômetro: Fig. 8.2 – Variação da resistência do potenciômetro entre terminal central e suas extremidades [6] 8.3.8. Meça o valor da máxima e mínima resistência permissível através do uso do potenciômetro e preencha a Tab. 8.2. Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 47 Tab. 8.2 – Valores Ôhmicos dos Componentes Resistivos VALORES ÔHMICOS 270 Ω 10 kΩ Mínima Resistência do Potenciômetro Máxima Resistência do Potenciômetro (Resistência Fixa) PARTE 3 – Curva Característica de Saída do BC548 8.3.9. Existem várias formas de ligar um TBJ (configurações e polarizações). Iremos neste primeiro momento utilizar a configuração nomeada emissor comum com polarização fixa (emissor sem fonte de alimentação, diretamente aterrado sem resistor). 8.3.10. Faça a montagem do circuito da Fig. 8.3, utilizando o transistor BC548. Tenha atenção especial com a conexão do osciloscópio ao circuito. Fig. 8.3 – Levantamento de família de curvas características de saída de um TBJ 8.3.11. Para cada valor de IB (corrente na base), uma curva de saída (IC x VCE) é obtida. Desse modo, um TBJ pode ter uma família de curvas, tal qual exemplificado na Fig. 8.4. O objetivo será obter duas destas curvas (para dois valores diferentes de corrente IB). Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 48 Fig. 8.4 – Família de curvas de saída IC x VCE para o TBJ BC548 8.3.12. Ajuste por meio do potenciômetro uma corrente de base de 50 µA. Para isso, monitore a tensão no resistor de 10 kΩ e estime qual a tensão que iria aparecer neste resistor para uma corrente de 50 µA circulando por este (medição indireta de corrente). 8.3.13. O objetivo será levantar a curva característica IC x VCE. Para isso, iremos variar a tensão de alimentação VCC de modo que a tensão VCE assuma os valores apresentados na Tab. 8.3. Para coletar os valores de IC, iremos utilizar a medição indireta no resistor RC (ou seja, IC = VRC/RC). 8.3.14. Repare a forma como os dois canais do osciloscópio foram conectados no circuito. Para que fosse possível utilizar o mesmo referencial, o canal 1 irá medir a tensão VEC. Como queremos monitorar a tensão VCE, temos que observar o negativo deste valor. Por sua vez, o canal 2 estará monitorando a tensão VRC sobre o resistor RC diretamente. 8.3.15. Colete os valores e preencha a Tab. 8.3. Tab. 8.3 – Curva característica IC x VCE para IB = 50 µA. VCE (V) VRC (V) IC = VRC/RC 0,0 0,5 1,0 2,0 5,0 7,0 10,0 12,0 15,0 Eletrônica Analógica Prática 08: Transistor (Curva Característica de Saída) 49 8.3.16. Refaça o procedimento descrito nos itens 8.3.12 a 8.3.15 para uma corrente de base de 75 µA, anotando os valores na Tab. 8.4. Tab. 8.4 – Curva característica IC x VCE para IB = 75 µA. VCE (V) VRC (V) IC = VRC/RC 0,0 0,5 1,0 2,0 5,0 7,0 10,0 12,0 15,0 8.3.17. Plote as duas curvas VCE x IC com os dados coletados no mesmo conjunto de eixos (recomenda-se o MATLAB) e observe que para valores maiores de corrente de base, a curva tende a estar acima. Eletrônica Analógica Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) 50 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 09. 2. Simule, no PSPICE, os circuitos de polarização apresentados nas Figuras 9.1, 9.2 e 9.3, obtendo os valores solicitados nas Tabelas 9.2, 9.3 e 9.4. Para isso, considere o modelo do TBJ “Q2N3904” existente neste software de simulação computacional. 3. Preencha a Folha de Resposta 09 e envie ao professor em PDF. Eletrônica Analógica Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) 51 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) ROTEIRO DA PRÁTICA 9.1. Objetivos Analisar experimentalmente os tipos de polarização de um transistor na configuração emissor comum; 9.2. Lista de Material Fonte CC + 1 par banana-jacaré + cabo de energia; Resistores de 150 Ω; 180 Ω; 330 Ω; 3,3 kΩ; 6,8 kΩ; 150 kΩ e 220 kΩ; Transistores BC 338 e BC 548; Matriz de contatos; Multímetro Digital + 1 par banana-ponteira; 9.3. Procedimento Experimental 9.3.1. Ambos os TBJs BC338 e BC548 são do tipo NPN. Iremos montar três circuitos de polarização distintos e analisar como as grandezas elétricas associadas se comportam para cada um dos TBJs utilizados. Para medir os valores de corrente, iremos utilizar a medição indireta, através da medição da tensão em resistores específicos. Desse modo, será necessário conhecer o valor real de resistência dos resistores a serem utilizados. PARTE 1 – Medição dos Valores Ôhmicos 9.3.2. Com o auxílio de um multímetro, efetue a medição dos valores ôhmicos de cada um dos resistores, anotando seus valores na Tab. 9.1. Tab. 9.1 – Valores ôhmicos dos resistores 150 Ω 180 Ω 330 Ω 3,3 kΩ 6,8 kΩ 150 kΩ 220 kΩ Valor Ôhmico Eletrônica Analógica Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) 52 PARTE 2 – Polarização Fixa 9.3.3. O circuito de polarização fixa, também conhecido como polarização com corrente de base constante é exibido na Fig. 9.1. Anote os valores ôhmicos medidos para os resistores nos campos correspondentes. Fig. 9.1 – Polarização fixa 9.3.4. A Tab. 9.2 apresenta as grandezas que serão coletadas para o circuito em questão. Perceba que as correntes serão obtidas pela medição indireta, ou seja, durante a prática, meça as tensões necessárias com o voltímetro e depois faça os demais cálculos para obtenção das correntes e do ganho. 9.3.5. Faça a montagem do circuito da Fig. 9.1, utilizando o transistor BC 338 e obtenha os valores dos parâmetros descritos na Tab. 9.2 para o TBJ emquestão. Em seguida, repita o procedimento para o BC 548. Tab. 9.2 – Medições efetuadas no circuito de polarização fixa Valor Experimental BC 338 BC 548 VE VB VC VBE VCE ⁄ ⁄ IE = IC + IB ⁄ RB 220 k RC Valor Nominal: Valor Medido: + 12 V Q1 330 Valor Nominal: Valor Medido: Eletrônica Analógica Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) 53 PARTE 3 – Polarização Estável do Emissor 9.3.6. O circuito de polarização estável do emissor é exibido na Fig. 9.2. Ele difere do circuito anterior pela presença do resistor RE. Fig. 9.2 – Polarização estável do emissor 9.3.7. Faça a montagem do circuito da Fig. 9.2, utilizando o transistor BC 338 e obtenha os valores dos parâmetros descritos na Tab. 9.3. Em seguida, repita o procedimento para o BC 548. Tab. 9.3 – Medições efetuadas no circuito de polarização estável do emissor Valor Experimental BC 338 BC 548 VE VB VC VBE VCE ⁄ ⁄ IE = IC + IB ⁄ RB 150 k RC Valor Nominal: Valor Medido: + 12 V Q1 150 Valor Nominal: Valor Medido: RE Valor Nominal: Valor Medido: 180 Eletrônica Analógica Prática 09: Transistor (Circuitos de Polarização CC) 54 PARTE 4 – Polarização por Divisor de Tensão 9.3.8. O circuito de polarização por divisor de tensão é exibido na Fig. 9.3. Fig. 9.3 – Polarização com divisor de tensão na base. 9.3.9. Faça a montagem do circuito da Fig. 9.3, utilizando o transistor BC 338 e obtenha os valores dos parâmetros descritos na Tab. 9.4. Em seguida, repita o procedimento para o BC 548. Tab. 9.4 – Medições efetuadas no circuito de polarização por divisor de tensão Valor Experimental BC 338 BC 548 VE VB VC VBE VCE ⁄ ⁄ ⁄ IE = IC + IB ⁄ RB1 6,8 k RC Valor Nominal: Valor Medido: + 12 V Q1 150 Valor Nominal: Valor Medido: RE Valor Nominal: Valor Medido: 180 RB2 3,3 kValor Nominal: Valor Medido: Eletrônica Analógica Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) 55 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) TRABALHO PREPARATÓRIO 1. Faça a leitura do roteiro referente à Prática 10. 2. Simule, no PSPICE, o circuito para a análise da saturação (Fig. 10.3), obtendo os valores solicitados nas Tabelas 10.3 e 10.4. Para isso, considere o modelo do TBJ “Q2N3904” existente neste software de simulação computacional. 3. Preencha a Folha de Resposta 10 e envie ao professor em PDF. Eletrônica Analógica Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) 56 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Campus Juiz de Fora Departamento de Educação e Tecnologia Núcleo de Eletrônica e Automação ELETRÔNICA ANALÓGICA (ELA005) Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) ROTEIRO DA PRÁTICA 10.1. Objetivos Observar a saturação de um transistor; Observar a operação de um transistor como chave estática. 10.2. Lista de Material Fonte CC; Resistores de 150 Ω; 220 Ω; 470 Ω; 5,6 kΩ; 33 kΩ; 47 kΩ; 56 kΩ e 120 kΩ; Transistor BC548; LED 5 mm vermelho; Matriz de contatos; Cabos para conexões; Multímetro Digital. 10.3. Procedimento Experimental PARTE 1 – Medição dos Valores Ôhmicos Para medir os valores de corrente, iremos utilizar a medição indireta, através da medição da tensão em resistores específicos. Desse modo, será necessário conhecer o valor real de resistência dos resistores a serem utilizados. 10.3.1. Com o auxílio de um multímetro, efetue a medição dos valores ôhmicos dos resistores listados na Tab. 10.1. Tab. 10.1 – Valores ôhmicos dos resistores 150 Ω 220 Ω 33 kΩ 47 kΩ 56 kΩ 120 kΩ Valor Ôhmico Eletrônica Analógica Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) 57 PARTE 2 – Circuito com LED 5mm (Vermelho) Um diodo emissor de luz (LED) é um tipo de diodo capaz de emitir luz visível, quando energizado. Os LEDs, quando polarizados diretamente, operam com uma queda de tensão que pode variar entre 1,7 V e 3,3 V, para correntes de 10 mA a 50 mA, emitindo luz nas cores vermelha, amarela, laranja, verde, branca e azul (existem, ainda, LEDs que emitem luz fora do espectro visível, na faixa do infravermelho). Fig. 10.1 – Diodo LED 10.3.2. Monte o circuito da Fig. 10.2, com RS = 470 Ω e obtenha os valores de tensão e corrente no LED. Para obtenção do valor de corrente, faça a medição indireta através do resistor. Preencha a Tab. 10.2. Fig. 10.2 – Circuito com Diodo LED Tab. 10.2 – Tensão e Corrente no LED VLED (V) VRS (V) ILED (mA) PARTE 3 – Região de Saturação A saturação ocorre quando o TBJ como amplificador solicita uma corrente muito alta para IC e o circuito externo não consegue fornecer este valor de corrente. Assim, o valor real da corrente no coletor é menor do que o desejado em condições normais de operação, porém é o valor máximo de corrente que o circuito externo consegue fornecer. Por este motivo, dizemos que o TBJ opera como se fosse uma chave fechada entre coletor e emissor, deixando toda a corrente possível passar. Fig. 10.3 – Circuito para análise da saturação 10.3.3. Monte o circuito da Fig. 10.3 utilizando o transistor BC548. Eletrônica Analógica Prática 10: Transistor (Circuitos de Saturação e Operação como Chave) 58 10.3.4. Determine as grandezas elétricas do circuito, preenchendo a Tab. 10.3. Tabela 10.3 – Grandezas Elétricas no TBJ para RB = 120 kΩ VE VB VC VBE VCE IB IC IE 10.3.5. Através dos valores coletados para IB e IC, calcule o ganho β do TBJ. 10.3.6. Agora iremos colocar o TBJ em saturação, aumentando o valor solicitado para IC. Varie a resistência de base (RB), com o intuito de aumentar a corrente de base (e consequentemente, a corrente requisitada no coletor), e determine as grandezas elétricas no TBJ dispostas na Tabela 10.4. Tabela 10.4 – Correntes no TBJ saturado RB IB IC VCE βSAT (IC/IB) 56 kΩ 47 kΩ 33 kΩ PARTE 4 – Operação como Chave (Saturação, Corte) Enquanto na saturação, a corrente entre o coletor e o emissor é a máxima que o circuito físico permite (operação como chave fechada), quando o TBJ está em corte, ou seja, sem corrente de base,
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