203785 – Circuitos Eletrônicos 1 (01/2016)Turmas: D e F Prof: Mariana Bernardes

Experimento 05: Retificadores

1) Objetivos:Algumas das principais aplicações de diodos são a proteção de circuitos e a retificação de ondas de tensão elétrica.

No caso de proteção de circuitos, uma dentre as várias modalidades de uso diz respeito à possibilidade de alimentar um circuitocom uma fonte DC que pode ser ligada com qualquer polaridade. Assim, não há o risco de queimar dispositivos pela inversãode polaridade. Normalmente, o circuito de alimentação inclui ainda um regulador de tensão (que também pode ser à base dediodos) para assegurar tensão constante de entrada, mesmo com variação da fonte externa.

Quanto à retificação de ondas, diodos são usados para converter uma senoide de entrada, obtida da rede elétrica e com amplitudereduzida por um transformador, em uma forma de onda com tensões sempre positivas. A senoide de entrada constitui uma tensãobipolar (ora positiva, ora negativa), e os diodos são responsáveis nesta aplicação por fornecer uma tensão unipolar. Em seguida,um circuito simples com capacitor(es) é utilizado para reduzir a oscilação, separando a componente DC desejada. Finalmente,utiliza-se mais uma vez um regulador de tensão para gerar um saída estável mesmo com variação da senoide de entrada. AFigura 1.1 ilustra a sequência básica de operações.

Neste experimento, você irá estudar um circuito que implementa esta estratégia para retificação de onda.

Figura 1.1: Sistema de conversão AC/DC baseado em diodos.

2) Estudo pré-laboratorial:2.1) Cálculos teóricos

a) Considere o circuito mostrado na Figura 2.1, para uma tensão de entrada dada por Vin(t) = 12 sin(2πft) V, com f = 60 Hz.Esta senóide pode ser vista como a saída de um transformador redutor de tensão, cuja entrada está ligada à rede elétrica comona Figura 1.1. Inicialmente, considere ideais os diodos D1, D2, D3 e D4. Esboce a forma de onda sobre o resistor R. Justifique.

Figura 2.1: Circuito retificador de onda completa.

b) Agora, analise novamente o circuito da Figura 2.1, mas considerando que os diodos tem uma queda de tensão da ordem deVD quando em condução (VD é a tensão de condução, ou de polarização direta). Esboce a forma de onda no resistor R nestanova situação. Qual o efeito da tensão de condução sobre a tensão de saída?

c) Considere agora que um capacitor é adicionado à saída do circuito, gerando a estrutura da Figura 2.2. O propósito destecapacitor é adicionar um efeito passa-baixas, reduzindo a oscilação da saída. Esboce a forma de onda da tensão no resistor Rno novo circuito. Inclua no mesmo sistema de coordenadas a tensão de entrada e a de saída. Interprete a saída em termos decarregamentos e descarregamentos do capacitor. Por fim, calcule o valor da tensão de ripple na saída do circuito.

Figura 2.2: Circuito retificador de onda completa com filtro passa-baixas.

d) Analise agora o que acontece se for adicionado ao circuito um resistor em série com um diodo Zener, como na Figura 2.3.Qual a forma de onda da tensão sobre o diodo Zener? Esboce esta tensão em função do tempo incluindo no mesmo sistema decoordenadas a tensão sobre o capacitor. Qual a função do diodo Zener neste circuito?

Figura 2.3: Circuito para conversão AC/DC.

2.2) Simulação

Baseando-se no circuito da Figura 2.3, projete e simule um circuito retificador que receba uma entrada senoidal de f = 60 Hzcom amplitude de 12 V, e forneça em sua saída uma tensão DC de 5 V e corrente de 5 mA para uma carga de 1 kΩ. Experimentediferentes valores para as resistências, capacitância e tensão Zener (escolha valores disponíveis comercialmente), verificandoos efeitos individuais de cada componente. Utilize um simulador para verificar seus resultados. Qual foi o valor médio de tensãoobtido na saída do seu circuito? E a tensão de ripple?

Circuitos Eletrônicos 1 (01/2016) - Experimento 05 2

3) Experimento:Neste experimento serão utilizados os mesmos diodos do experimento anterior, ou seja, diodos retificadores 1N4007 e de regu-lação (Zener) 1N4733. Lembre-se das faixas de valores para VD e VZ obtidas anteriormente para estes componentes.

a) Monte a o circuito da Figura 2.1. Utilize o gerador de funções do laboratório para fornecer a tensão senoidal que representaa saída da rede elétrica após a redução de amplitude por um transformador. Varie a amplitude de entrada de 0 até 10 V empassos de 2 V. Em cada caso, registre o valor de tensão e a forma de onda da saída utilizando o osciloscópio. Justifique osvalores observados discutindo as diferenças dos níveis mínimos e máximos de tensão de saída da ponte de diodos com respeitoà entrada. Também comente o efeito de se utilizar diodos com diferenças entre as tensões de condução e de resistência interna.

b) Repita o item anterior acrescentando um capacitor de 47µF como na Figura 2.2 (varie novamente a amplitude de entradausando os valores do item a e registre o sinal de saída para cada caso). Qual o efeito do capacitor?

c) Investigue o efeito de carregamento do capacitor para um sinal de entrada de mesma amplitude (10 V) e f = 120 Hz. Repitapara f = 320 Hz. Considerando o caso em que Vin é obtido a partir de um transformador ligado à tomada e sabendo quenão é possível modificar a frequência do sinal de 60 Hz da rede elétrica, qual seria uma alternativa para obter efeito similar aoobservado?

d) Complete agora o circuito da Figura 2.3. Varie a amplitude de entrada usando os valores do item a e registre a forma de ondae a amplitude da tensão no capacitor e no diodo Zener em cada caso. Analise os resultados com ênfase nos seguintes aspectos:Qual a mínima amplitude de entrada para que se tenha tensão na saída do Zener 1N4733? Qual a relação entre a tensão nodiodo Zener e a tensão no capacitor? Qual a função do diodo Zener no circuito?

e) Repita o item d, porém substituindo a fonte senoidal por uma fonte DC com os seguintes valores: 1 V, 5 V, 12 V, −1 V, −5 V,e −12 V. Registre a tensão sobre o Zener 1N4733 em cada caso. Cite uma possível aplicação deste circuito nesta situação.

Circuitos Eletrônicos 1 (01/2016) - Experimento 05 3

Laboratório de Circuitos Elétricos 1 (01/2016) - Folha de Dados

Turma: ________ Data: ____/____/________

Alunos: _________________________________________ Matrícula: _________________

_________________________________________ Matrícula: _________________

Experimento 05: Retificadores

Procedimento 3.1 a): Ponte de diodos

Medidas 1 2 3 4 5 6Tensão Fonte [Vamp] 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V

Tensão Resistor [Vmax/Vmın] / / / / / /

Medida 1 Medida 2

Medida 3 Medida 4

Medida 5 Medida 6

Circuitos Eletrônicos 1 (01/2016) - Experimento 05 4

Procedimento 3.1 b): Ponte com capacitor

Medidas 1 2 3 4 5 6Tensão Fonte [Vamp] 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V

Tensão Capacitor [Vmax/Vmın] / / / / / /

Medida 1 Medida 2

Medida 3 Medida 4

Medida 5 Medida 6 (10V - 60Hz)

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Procedimento 3.1 c): Ponte com capacitor em diferentes frequências

Medidas 1 2 3Frequência entrada [Hz] 60 120 360

Tensão Capacitor [Vmax/Vmın] / / /

10V - 120Hz 10V - 360Hz

Circuitos Eletrônicos 1 (01/2016) - Experimento 05 6

Procedimento 3.1 d): Ponte com capacitor e Zener

Medidas 1 2 3 4 5 6Tensão Fonte [Vamp] 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V

Tensão Capacitor [Vmax/Vmın] / / / / / /Tensão Zener [Vmax/Vmın] / / / / / /

Medida 1 Medida 2

Medida 3 Medida 4

Medida 5 Medida 6

Circuitos Eletrônicos 1 (01/2016) - Experimento 05 7

Procedimento 3.1 e): Sinal de entrada DC

Medidas 1 2 3 4 5 6Tensão Fonte [Vamp] 1 V 5 V 12 V −1 V −5 V −12 V

Tensão Zener [Vmax/Vmın] / / / / / /

Medida 1 Medida 2

Medida 3 Medida 4

Medida 5 Medida 6

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