Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–1

1. Introdução Objetivos: • estudo do funcionamento do diodo zener e de circuitos reguladores de tensão e

corrente transistorizados; • medida da regulação de carga, da regulação de linha e da rejeição de ripple;

2. Projeto (a ser realizado ANTES da aula experimental) Dados para o projeto:

Diodo Zener 1N4735 VZ=6,2V p/ IZ=41mA, PZ=0,5W, RZ=2Ω, IZmín=4mA, IZmáx=81mA

Transistor 2N3055 βmáx= 70@4A/4V (VCE) PCmáx=115W, VCEmáx=60V, ICmáx=15A

Transformador 110 : 18

Diodo VD=0,8V ( tensão de

condução por diodo) Capacitor 1000µF

IMPORTANTE: Adote em todos os casos Ventrada = 125Vef (e não 110Vef ), escalando proporcionalmente a tensão obtida no secundário. Adote resistência total equivalente do secundário RST=4Ω. 2.1 Regulador de Tensão com Diodo Zener e Resistor Projete a fonte de tensão regulada a diodo zener, como mostrado na figura 1. Seguindo o roteiro a seguir:

Figura 1: Fonte de tensão com resistor e diodo zener

B–2 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

2.1.1 Calcule o valor de VA máx em A considerando a saída do filtro capacitivo em aberto.

VA máx (Filtro capacitivo em aberto ) =

2.1.2 Calcule o valor do resistor R para IZ=40 mA. Aproxime o resultado para o valor comercial mais próximo (Rcom).

R =

Rcom =

2.1.3 Utilizando as curvas de Schade do experimento de Retificadores, determine os valores VDC e Vpp (ondulação) no ponto A (entrada) considerando o resistor R como sendo a carga do filtro capacitivo.

VA DC =

VA pp =

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–3

2.1.4 Determine o valor de VA mín no ponto A. (Existem aparentemente duas formas de determinar VA mín; subtraindo-se o valor VA pp encontrado no item 2.1.3 do valor encontrado no item 2.1.1 ou então subtraindo-se metade do valor VA pp de VA DC encontrados no item 2.1.3. Qual o valor mais correto e por quê?).

VA mín =

2.1.5 Calcule o valor de RLmín

RLmin =

2.1.6 Calcule a Regulação de Linha para RL=RLmín RLi p/ RL = Rlmin

=

B–4 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

2.1.7 Calcule a Rejeição de Ripple para RL=RLmín RR p/ RL = Rlmin

=

2.1.8 Considerando a tensão no ponto A constante e igual VA DC, calcule a regulação de carga (RC).

RC =

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–5

2.2 Regulador de Tensão com Transistor e Diodo Zener Projete a fonte de tensão regulada a transistor e diodo zener, como mostrado na figura 2, seguindo o roteiro a seguir:

Figura 2: Regulador de tensão com transistor e diodo zener

2.2.1 Determine VDC e Vpp (ondulação) no ponto A (entrada) considerando Rcarga do filtro capacitivo de 70Ω. Utilize RST = 4Ω.

VA DC =

VA pp =

B–6 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

2.2.2 Calcule o valor de RLmín.

RL min =

2.2.3 Estime o valor da resistência de carga equivalente vista pelo filtro capacitivo quando RL = 18Ω que é o RL min da montagem experimental do laboratório. O valor obtido está coerente com aquele utilizado no item 2.2.1? Rcarga do filtro capacitivo =

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–7

2.3 Regulador de Corrente Projete a fonte de corrente como mostrado na figura 3, supondo que a tensão no ponto A seja igual a VA máx, seguindo o roteiro a seguir:

Figura 3: Regulador de corrente com transistor e diodo zener 2.3.1 Calcule o valor de R para IL=12mA

R =

2.3.2 Calcule o valor de RB para IZ=47mA

RB =

A

B–8 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

2.3.3 Determine o valor de RLmáx

RL max =

2.3.4 O que ocorre no circuito quando RL ≥ Rlmáx?

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–9

3. Procedimento Experimental e Análise de Resultados Antes de iniciar o experimento: - Deixe sobre a bancada apenas o material necessário; - Ligue os equipamentos e verifique seu funcionamento; - Verifique os cabos de sua bancada, caso estejam faltando comuniquem ao

professor. 3.1 Fonte de Tensão com Diodo Zener e Resistor 3.1.1 Procedimento Experimental Para implementar o circuito de regulador de tensão com diodo zener e resistor da figura 1 utilizaremos a placa e a montagem indicada na figura 4, seguindo o roteiro a seguir:

Figura 4: Fonte Regulada de Tensão com Diodo Zener e Resistor

3.1.1.1 Conecte os pontos unidos por linhas tracejadas na figura 4, utilizando cabos banana-banana curtos. Teste os diodos D1, D2, D3 e D4 com o multímetro digital e conecte-os nas posições indicadas na figura 4. 3.1.1.2 Verifique se o fusível de proteção está colocado na sua posição conforme a Fig. 4. 3.1.1.3. Conecte na posição do capacitor eletrolítico de entrada, 1000µF ( certifique-se de que a polaridade está correta);

B–10 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

3.1.1.4 Conecte a década de resistências em série com o multímetro de mão operando como amperímetro entre os pontos B e E (deixe os pontos G-F e H-I em aberto); 3.1.1.5 Conecte o multímetro digital da bancada operando como voltímetro em paralelo com a caixa de resistências. O VOLTÍMETRO DEVE SER CONECTADO DE FORMA A MEDIR A TENSÃO ANTES DO AMPERÍMETRO (Justifique),isto é, entre B e E. 3.1.1.6 Ligue cuidadosamente o cabo de força à rede elétrica (125Vef ); 3.1.1.7 Ajuste a caixa de resistências com o valor de RLmím previamente definido (2.1.5) e meça os valores médios de tensão nos pontos A eB com o multímetro de bancada e as respectivas amplitudes de pico a pico das ondulações com o osciloscópio (use os canais ao mesmo tempo, ambos no modo AC, BW on). Monte a tabela abaixo:

VA(médio) (V) VAPP (V) VB(médio) (V) VBPP (V)

O valor VB(médio) está coerente? 3.1.1.8 Desconecte cuidadosamente os terminais da rede (125Vef ) da entrada do transformador. Remova a ligação entre os pontos A’ e A. Ligue a fonte de alimentação HP3631A da bancada e ajuste sua tensão para o valor VA médio do item 3.1.1.7 (a tensão é obtida entre os pontos + e COM da fonte ± 25V). Pressione a tecla Output ON/OFF e certifique-se que a frase OUTPUT OFF esteja no display da fonte (assim não há tensão nas saídas da fonte). Conecte a fonte de alimentação aos pontos A (positivo) e M (negativo). Pressione a tecla Output ON/OFF e certifique-se que o valor de tensão desejado apresenta-se no display da fonte (agora há tensão nas saídas da fonte). Variando a resistência da década de 0 até 10KΩ (passando por RLmín) monte a tabela abaixo. Levante o número de pontos que julgar conveniente.

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–11

RL (Ω) VB (V) IRL (A)

0

RLMIN =

10K

3.1.1.9 Mantendo o voltímetro conectado ao circuito, desconecte a caixa de resistências e o amperímetro dos pontos B e E, deixando-os em aberto. Aguarde cerca de 20s para a tensão estabilizar e meça a tensão em vazio.

VB(vazio)(V) =

3.1.1.10 Reconecte a caixa de resistências e o amperímetro entre os pontos B e E. 3.1.1.11 Fixando RL=RLmín na década de resistências conectada entre os pontos B e E, ajuste a tensão da fonte de alimentação para VA+10%, VA e VA-10%. Caso necessário,

B–12 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

use as fontes +25V e –25V em série, extraindo a tensão diretamente entre os terminais + e – da fonte ± 25V (peça ajuda do professor se necessário). Monte as tabelas a seguir:

VA(V) VB(V)

(VA-10%)

(VA)

(VA+10%)

medir apenas para VA

I fonte HP3631A

I carga

3.1.1.12 Pressione a tecla Output ON/OFF e certifique-se que o display da fonte indica OUTPUT OFF. 3.1.2 Análise dos Resultados 3.1.2.1 Por que o resistor R pode ser considerado como sendo a carga do filtro capacitivo no item 2.1.3?

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–13

3.1.2.2 Preencha a tabela 1, com os valores esperados (de projeto: 2.1.1, 2.1.3, 2.1.7, 2.1.8, 2.1.6) e com os valores obtidos no procedimento experimental. A partir destes calcule a rejeição de ripple, a regulação de carga e a regulação de linha (experimental).

Esperado Experimental Desvio

VA DC

VAPP

VBDC

VBPP

RLi ( regulação de linha)

RR (rejeição de ripple p/ Rc = Rcmin)

RC (regulação de carga)

Rendimento

Justifique eventuais discrepâncias:

B–14 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

3.1.2.3 Plote todos os pontois da tabela 3.1.1.8 utilizando o programa “Plote”. Escolhendo o intervalo de pontos pertinentes, determine a resistência interna Ri do gerador equivalente associado a fonte de tensão de acordo com o modelo indicado na figura 5 (e utilizando os dados do item 3.1.1.8). Para isso, utilize a regressão do programa Plote. Imprima o gráfico obtido, destacando como calculou o valor de Ri. Anexe-o após esta folha.

Figura 5: Modelo do Gerador Equivalente

Ri =

3.1.2.4 O valor de Ri neste caso deve ser baixo ou alto? ATENÇÃO: NÃO PROSSIGA NO EXPERIMENTO SE A ANÁLISE NÃO ESTIVER CONSISTENTE. NESTE CASO, CONSULTE O PROFESSOR.

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–15

3.2 Regulador de Tensão com Transistor e Diodo Zener

3.2.1. Procedimento Experimental Montar o circuito de regulador de tensão com transistor e diodo zener (da figura 6), seguindo o roteiro a seguir: A = Entrada G = Saída

Figura 6: Fonte de Tensão com Transistor e Diodo Zener

3.2.1.1 Anote o valor nominal (isto é, escrito no resistor) de RLmin .

RLmin =

3.2.1.2 Conecte a década de resistências em série com o multímetro de mão (na escala de corrente) entre os pontos G e F (é proibido conectá-la entre os pontos G e E). Ajuste o valor da década de resistência para 0Ω. Conecte o multímetro digital da bancada entre os pontos G e E na escala de tensão. 3.2.1.3 Conecte cuidadosamente a entrada do transformador aos terminais da rede (125Vef ). 3.2.1.4 Meça os valores médios de tensão nos pontos A e G com o multímetro da bancada e as respectivas amplitudes de pico a pico das ondulações com o osciloscópio se possível (use os dois canais ao mesmo tempo, ambos no modo AC). Monte a tabela abaixo:

RLmín(Ω) VA(médio) (V) VAPP (V) VG(médio) (V) VGPP (V)

B–16 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

3.2.1.5 Desconecte cuidadosamente os terminais da rede (125Vef ) da entrada do transformador. Remova a ligação entre os pontos A’ e A. Ligue a fonte de alimentação HP3631A e ajuste sua tensão para o valor VA médio do item 3.2.1.4. Caso necessário, use as fontes +25V e –25V em série, extraindo a tensão diretamente entre os terminais + e – da fonte ± 25V (peça ajuda do professor se necessário). Pressione a tecla Output ON/OFF e certifique-se que a frase OUTPUT OFF esteja no display da fonte. Conecte a fonte de alimentação aos pontos A (positivo) e M (negativo). 3.2.1.6 Variando a resistência da década de 0 até 10KΩ monte a tabela abaixo. Levante o número de pontos que julgar conveniente.

RL (Ω) VG (V) IRL (A)

RLMIN =

RLMIN+10K =

3.2.2 Análise dos Resultados 3.2.2.1 A partir dos dados do item 3.2.1.6, determine a resistência interna Ri do gerador equivalente associado a fonte de tensão de acordo com o modelo indicado na figura 5. Para isso use a regressão do programa Plote. Imprima o gráfico obtido (programa Plote), destacando como calculou o valor de Ri. Anexe-o após esta folha.

Ri =

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–17

3.2.2.2 O valor de Ri da fonte com zener e transistor indica que esta montagem é melhor ou pior que a montagem da fonte apenas com zener? 3.2.2.3 A amplitude da ondulação no ponto A é maior ou menor que o valor obtido no item 3.1.1.7? Isto era esperado? Por quê ? 3.2.2.4 Na verdade, cada fonte tem uma finalidade distinta. Se a fonte com transistor e diodo zener fosse testada na mesma condição de carga do item 3.1.1.7, o que você esperaria para a ondulação no ponto A, ela seria maior ou menor que aquela do item 3.1.1.7? 3.3 Fonte de Corrente 3.3.1. Procedimento Experimental Para montar o circuito fonte de corrente com transistor e diodo zener ( da figura 7), seguindo o roteiro a seguir:

Figura 7: Fonte de Corrente com Diodo zener e Transistor

B–18 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

3.3.1.1 Ajuste o valor de tensão da fonte de alimentação igual ao valor para o ponto C utilizado no item 2.3.1 do projeto (pag. B-30) e tecle OUTPUT OFF. Conecte a fonte de alimentação HP3631A ao circuito, tomando todas as precauções necessárias. 3.3.1.2 Conecte a década de resistências em série com o multímetro digital de mão na escala de corrente entre o ponto H e um dos terminais da caixa de resistência. Conecte o multímetro de bancada na escala de tensão entre os pontos H e I. Varie o valor da resistência da década até o transistor saturar e monte a tabela a seguir:

RL (Ω) VH (V) IRL (A)

0

RLMAX =

2.RLMAX =

5.RLMAX =

10.RLMAX =

Exp. 2 – Fontes de Tensão e Corrente B–19

3.3.2 Análise dos Resultados 3.3.2.1 Determine a resistência interna do gerador equivalente associado a fonte de corrente conforme o modelo apresentado na figura 8. Utilizando a regressão do programa plote, imprima o gráfico obtido, destacando como calculou o valor de Ri. Anexe-o após esta folha.

Figura 8: Gerador equivalente da fonte de corrente

Rp =

3.3.2.2 O valor de Rp neste caso deve ser baixo ou alto?

B–20 Laboratório de Eletrônica – Exp. 2

4. Conclusões