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SEL-316 LABORATÓRIO DE CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Marcelo Basilio Joaquim Paulo Roberto Veronese José Carlos Pereira Valentin Obac Roda Manoel Luis de Aguiar

Índice

Capítulo I - Diodo semicondutor e suas aplicações3

Laboratório Nro. 18 Laboratório Nro. 28 Laboratório Nro. 315 Laboratório Nro. 415

Capítulo I - Circuitos integrados lineares18

Laboratório Nro. 121 Laboratório Nro. 223

Capítulo I - Transistores bipolares: polarização e regiões de operação25

Laboratório Nro. 126 Laboratório Nro. 228 Laboratório Nro. 332

Capítulo IV - Transistores Bipolares: amplificadores básicos e resposta em freqüência34

Laboratório Nro. 136 Laboratório Nro. 239 Laboratório Nro. 339 Laboratório Nro. 440 Capítulo V - Transistores bipolares: revisão da polarização e regiões de operação41

Apêndice A1 – Código de cores48

Capítulo I

1.Introdução

Um diodo de junção é formado pela combinação de um material semicondutor do tipo N com um do tipo P, como mostra a figura 1. A principal característica do diodo é que ele dificulta o fluxo de corrente na direção mostrada pela seta tracejada (do catodo para o anodo) e facilita o fluxo no sentido oposto (do anodo para o catodo). Assim, uma tensão positiva aplicada no terminal P em relação ao N é capaz de sobrepujar o efeito da camada de depleção e facilitar o fluxo de corrente na direção da seta sólida.

Figura 1 – Composição e símbolo do diodo

2.Características do diodo

Considere o diodo mostrado na figura 2a tal que VD é a tensão através do diodo e ID a corrente. Se conectarmos o diodo em um circuito como a figura 2b, podemos medir a curva característica (2c), variando a tensão VB e medindo as correspondentes corrente ID e tensão VD e traçar o gráfico ID x VD.

fluxo de corrente difícil fluxo de corrente fácilanodo catodo

Figura 2 – Característica do diodo semicondutor

A figura 2.c representa uma curva típica de um diodo. A parte correspondente a tensões positivas corresponde à “polarização direta”. Conforme a tensão VB é aumentada a partir do zero a corrente nos terminais varia pouco até que a tensão VD atinja um certo nível de tensão (Vχ). A partir deste ponto, a corrente aumenta rapidamente. Invertendo a polaridade da fonte de tensão VB (condição de polarização reversa) a corrente é praticamente nula, refletindo a condição de bloqueio do diodo.

Se o valor da tensão reversa alcançar um determinado valor (que pode alcançar centenas de volts) pode ocorrer uma ruptura por efeito de avalanche. Diodos Zener são projetados para aproveitar a condição de tensão constante quando ocorre esta ruptura.

3.Modelos para o diodo

Os três principais modelos para o diodo são o modelo ideal, o de tensão constante e o de tensão constante mais resistência que serão vistos a seguir.

3.1.Modelo ideal

Neste modelo o diodo é admitido ser um curto circuito para correntes diretas (positivas) e um circuito aberto para correntes reversas.

V b b V

Polarização reversa

Polarização direta tensão de ruptura reversa

Figura 3 – Modelo ideal do diodo

3.2.Modelo de tensão constante

Este modelo é baseado no fato de que quando o diodo é polarizado diretamente para corrente flui até que a tensão em seus terminais atinja uma tensão (Vχ) (denominada de tensão de condução). A partir deste ponto o diodo se comporta como um curto circuito.

Figura 4 – Modelo de tensão constante

O valor da tensão de condução depende do material empregado na construção do diodo. Para diodos de germânio ela varia entre 0.2 e 0.3 volts e para silício entre 0.6 e 0.7 volts.

3.3.Modelo de tensão constante mais resistência

Neste caso é acrescentada uma resistência RD para o modo de convenção direta, aproximando o modelo para uma situação mais real. A dificuldade deste modelo é que não existe um valor básico de resistência, pois ela depende fortemente da faixa de operação do diodo. A figura 5 ilustra este modelo.

Polarização direta

Polarização reversa

(a) (b) (c) (d)

Polarização direta

Polarização reversa

Vχ(a) (b) (d)(c)

Figura 5 – Modelo de tensão constante mais resistência

4.Diodos Zener

Através do aumento do nível de dopagem é possível o valor da tensão reversa de ruptura. Estes diodos, com a tensão de ruptura controlada são chamados de diodos Zener. A principal aplicação é em fontes de tensão.

O símbolo esquemático deste diodo é mostrado na figura 6.a e a sua curva característica na figura 6.b. Note que para tensões diretas ele opera como um diodo comum e para reversas existe uma tensão de Zener, constante, que uma vez alcançada varia muito pouco com a corrente reversa.

Figura 6 – Diodo Zener

Um parâmetro importante é a potência máxima dissipada, que é dada por:

PD = VZIZ (1)

P. direta Polarização reversa

(a) (b) (d)(c)

V b

I b

(a) (b)

Desde que se conhece VZ o valor da corrente de Zener que corresponde à potência máxima dissipada pode ser calculado.

5.Testando o diodo

Um ohmimetro pode ser utilizado para checar o estado de um diodo e também para identificar os seus terminais: anodo e catodo. No sentido de condução direta o ohmimetro deverá indicar resistência baixa e no de condução reversa ele apresentará resistência alta. Os multímetros digitais modernos já apresentam uma opção para teste de diodos.

Figura 7 – Teste de um diodo

6.Levantamento da curva característica

Para o levantamento da curva característica de diodos pode-se utilizar o esquema abaixo:

Figura 8 – Circuito para se obter curva característica de diodos

Variando VB podemos construir um gráfico com os valores medidos ID e VD que identificam a característica estática do diodo.

Ω Resistência baixaResistência alta

VdV B1K ohmV

I d

7.Laboratório Nº 1

Levantamento da curva característica para três tipos diferentes de diodos: silício (IN 4148 ou IN 4007); germânio (OA 95 ou AA119); diodo Zener (3 < VZ < 7).

- Teste a condição de cada diodo utilizando o procedimento indicado na secção 5.

- Monte o circuito mostrado na figura 8. Varie a tensão VB entre ± 10 volts, em passos adequados e faça uma tabela com os valores medidos ID e VD..

•Para tensões no diodo próximas a Vχ o passo de tensão deve ser pequeno (abaixo de 0.1 volt)

escalas, unidades,) com os valores obtidos.

•Desenhe o gráfico da curva característica dos diodos (não esqueça

-Método da varredura

O circuito da figura 9 pode ser utilizado para obter diretamente a curva característica em um osciloscópio

Figura 9 – Traçado de curvas utilizando um osciloscópio

Neste caso o osciloscópio deve trabalhar no modo XY. O gerador de sinais faz uma varredura de tensão e como resultado tem-se uma visualização da curva do diodo diretamente na tela do osciloscópio. Faça esta experiência utilizando os três diodos anteriores. Obs.: Faça para todas as curvas uma aproximação por segmentos de reta.

8.Laboratório Nº 2: Circuitos com Diodos ⇒ Circuito Retificador

Monte o circuito mostrado na figura 10 e observe o sinal de saída aplicando na entrada um sinal senoidal com tensões de pico iguais a 0.5 V e 5 V.

Gerador de sinais100Hz X

Figura 10 – Circuito retificador

Para grandes sinais o diodo se comporta como uma chave eletrônica (modelo ideal). Para sinais positivos, a saída no resistor é praticamente igual à entrada e para sinais negativos, a saída é nula, pois o diodo está bloqueado. Para pequenos sinais a tensão de condução influência fortemente no comportamento do circuito. Desenhe as formas de onda da entrada e saída para cada caso e tire conclusões.

⇒ Circuito Ceifador ou limitador

São circuitos que utilizam a propriedade de bloqueio e condução do diodo para recortar o sinal de entrada.

Figura 1 – Circuito Ceifador

Para tensões maiores que VR + Vχ a saída fica limitada nesta tensão, pois o diodo conduz. Para tensões menores que VR + Vχ o diodo está bloqueado e o sinal de saída é igual ao da entrada. Monte o circuito e desenhe as formas de onda da entrada e saída. Tire conclusões.

Repita a experiência acima utilizando o circuito limitador com diodos Zener, mostrando abaixo.

1K ohm100Hz Gerador de sinais saida

1K ohm

Figura 12 – Circuito limitador

⇒ Circuito Grampeador

São circuitos que combinando capacitores e diodos possibilitam a introdução de uma componente DC em um sinal qualquer.

Figura 13 – Circuito grampeador

Durante o primeiro ciclo o capacitor se carrega com o valor máximo da tensão do sinal de entrada. Como ele não tem por onde se descarregar a saída apresentará uma componente DC dada pela tensão no capacitor. Monte o circuito e desenhe as formas de onda. Tire conclusões.

Obs.: Para cada circuito desenhe a característica de transferência utilizando um dos modelos do diodo.

9.Retificadores para fontes de tensão

Retificador é um circuito com diodos que converte correntes ou tensões ca em c, mais uma componente alternada chamada de ondulação (“ripple”). Ele é baseado na característica unidirecional do diodo.

A componente alternada é sempre indesejável de modo que projetos de fontes devem considerar esta ondulação para que seja a mínima possível. Uma medida da eficiência da fonte é dada pelo fator de ondulação r:

100Hz 1K ohm

totalRMS cacomponenter V (2)

Nesta secção iremos revisar os retificadores de meia onda e onda completa para fontes de alimentação:

9.1 Retificador de meia onda

A figura 14.a mostra o circuito retificador de meia onda, em que RL é uma resistência de carga e RT inclui as resistências da fonte e de condução do diodo. No semiciclo positivo o diodo conduz e no negativo ele bloqueia, resultando na forma de onda de saída mostrada na figura 14.b.

Figura 14 – Retificador de meia onda

Desprezando RT, as tensões média (VDC) e eficaz (VRMS) na saída (carga RL) são dadas por:

DCVV= e2M

M totalRMS V = (3)

Neste caso o fator de ondulação será: r = 1.21(4)

9.2. Retificador de onda completa

RLVi

V i

Figura 15 – Retificador de onda completa em ponte.

No semiciclo positivo D2 e D4 conduzem e no negativo somente D1 e D3 conduzem, mantendo a corrente em Ri e consequentemente a tensão sempre em um mesmo sentido como mostra a figura 15.b. Neste caso:

=e 2M

DC V 2 RMS V =

O fator de ondulação será: r = 0.483(6)

Um circuito equivalente é o retificador com “center tap” mostrado na figura 16. Neste caso os mesmos resultados anteriores são válidos.

Figura 16 – Retificador de onda completa usando transformador com derivação central (“center tap”)

9.3. Filtros capacitivos para fontes

O fator de ondulação para os retificadores é muito alto, na prática a fonte deveria fornecer para a carga uma tensão sem ondulações. Um modo de minimizar ou atenuar estas ondulações é inserir um capacitor de filtro como mostra a figura 17.

V i

V i

Figura 17 – Filtragem das ondulações da fonte

O capacitor carrega-se com o valor de pico da tensão na saída do retificador e se descarrega através da carga RL . Se ele tiver um valor suficientemente alto a descarga será pequena, diminuindo a amplitude das oscilações como mostra a figura 17.b. Neste caso, tem-se que:

meia ondaonda completa r = CRT

Observe que o fator de ondulação decresce com o aumento do valor RLC, conseqüentemente, para valores de ondulação baixos deve-se utilizar capacitores com capacitância grandes (acima de 1µF).

10.Regulação com diodo Zener

A partir de uma fonte de tensão não regulada podemos obter uma fonte c.c com boa regulação utilizando diodos Zener. A forma básica deste regulador é mostrada na figura abaixo.

Filtragem do retificador de meia onda

Filtragem do retificador de onda completa

Circuito retificador C R

(a) (b)

RLIZV i

Figura 18 – Regulador com diodo Zener

A tensão de entrada Vi deve ser maior que VZ =VL. A função do diodo Zener é manter constante a tensão com as variações nas condições do circuito e ondulações. Como ele está polarizado na região de ruptura, automaticamente ele ajusta a corrente IZ para manter a tensão praticamente constante. O resistor RS é calculado para proporcionar a queda de tensão que excede VZ pois Vi >VZ = VL. Assim:

onde IZ é a corrente de trabalho do diodo Zener e deve ser obtida na folha de dados do fabricante.

1.Dobrador de tensão

Na figura 19 é mostrado um circuito dobrador de tensão que fornece uma tensão de duas vezes a máxima tensão do transformador sem a carga RL. Este circuito opera através do carregamento de cada capacitor com a tensão de pico VM. Os capacitores atuam também na filtragem da ondulação de saída.

Figura 19 – Dobrador de tensão

Este circuito é caracterizado por uma regulação pobre a menos que capacitores de valores grandes sejam utilizados.

12.Laboratório Nº 3 – Retificadores e Fontes DC 12.1.Retificador de meia onda

Monte o circuito da figura 14 usando um transformador com saída aproximada de Vi =

12 VRMS, utilize resistores RL com os seguintes valores 1Kohm, 470ohms, 220ohms, 100ohms e 50ohms (calcule a potência do resistor antes de colocá-lo no circuito).

a) com o auxílio de um osciloscópio desenhe as formas de onda de entrada e saída do circuito assinalando os valores máximo e mínimo. b)Meça com o multímetro os valores das componentes c.c. e c.a. e determine o fator de ondulação (“ripple”) para cada caso.

c)Para melhorar a regulação da fonte, coloque os seguintes capacitores na saída 47 µF

(63V), 100 µF, 220µF, 470µF e 1000µF e repita as medidas dos items a e b para resistores RL de 100 ohms e 1 Kohms. d)Tire conclusões.

12.2. Retificador de onda completa

Monte o circuito mostrado na figura 16 utilizando o mesmo transformador do item 12.1 e repita todo procedimento anterior (12.1). Não desmonte o circuito, ele será utilizado na próxima experiência.

12.3. regulador com diodo Zener

Monte o circuito da figura 18 tal que VZ = 9V e RS = 330 Ω (1W), e verifique a tensão de saída, observando a regulação, utilize os seguintes valores de RL: 1Kohm, 470ohms, 220ohms, 100ohms e 50ohms.Tire conclusões.

Obs.: Para o cálculo de RS utilizou-se IZ = 15 mA.

12.4. Dobrador de tensão

Monte o circuito mostrado na figura 19 tal que C = 47 µF (63 V). (Cuidado com a polaridade do capacitor durante a montagem do circuito).

→ Utilizando RL = 1 KΩ e 10 KΩ, desenhe as formas de onda de entrada e saída, assinalando valores máximos e mínimos. Tire conclusões.

13.Laboratório Nº 4: Reguladores de tensão

terminais; alguns são projetados para tensões c fixas, tais como: 5V, 15V, -15V

Temos disponível hoje em dia uma variedade muito ampla de circuitos integrados que trabalham como reguladores de tensão. Eles são dispositivos de três (série 78xx e 79xx). Outros são programáveis para serem utilizados em fontes variáveis (LM 317). Um diagrama de conexão para fontes fixas é mostrado na figura abaixo:

Entrada não regulada (trafo + ret. + cap.)saída para limitar banda de ruído

LM78XX

Figura 20 – Regulador de tensão

Quando da utilização destes dispositivos é muito importante seguir as recomendações dos fabricantes na colocação dos capacitores de filtragem e limites de tensões e correntes do dispositivo.

Nas figuras, a seguir, são mostrados três aplicações de um circuito integrado LM78XX: regulador fixo, regulador variável e fonte de corrente. Monte estes três circuitos, teste e comente os resultados. Tire conclusões.

Figura 21 – Regulador de tensão fixo.

Figura 2 – Regulador com saída ajustável. 17 requerido para CI longe da fonte LM 7805

~ 5 – 10V

LM 7805 100Ω (1W)

RL (1W) Iout

50Ω 100ΩsaídaLM 7805

Fonte não regulada0.33µF 0.01µ F

Figura 23 – Fonte de corrente. 18

Capítulo I

Parte I – O Amplificador Operacional

1. Introdução

O amplificador operacional (amp-op) é um amplificador diferencial, DC, de alto ganho e alta impedância de entrada. Em geral ele apresenta duas entradas: uma inversora (v-) e outra não inversora (v+), e uma única saída (v0). A representação empregada para um amp-op, com a polarização conectada (a) e sem a polarização (b), é mostrada na figura 1.

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