UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ - UFC CENTRO DE TECNOLOGIA - CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE DEE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA
Relatório da Prática 03 RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA SEM E COM FILTRO CAPACITIVO
Aluno: Ronald Emanuel Rocha da Fonseca - 404974
Turma: 02A (Quinta-Feira, 14h-16h)
Fortaleza (02/05/2017)
Sumário 1. Objetivos ......................................................................................................
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2. Lista de material usado e circuito montado. ..................................................
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3. Resultados de simulação e experimentais. ...................................................... 6 4. Questionário ...............................................................................................
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5. Conclusões ..................................................................................................
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Referências Bibliográficas .................................................................................
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1. Objetivos O objetivo principal desta prática é projeto e analise do funcionamento de uma fonte de tensão regulada a diodo zener mediante simulação e experimentação.
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2. Lista de material usado e circuito montado. 2.1.Lista de Especificações e Materiais. A seguir são apresentadas as seguintes especificações:
Vrms = 220 [V] [Tensão eficaz aplicada ao primário do transformador];
Vo = 5,1 [V] [Tensão de saída regulada]; e
Po = 500 [mW] [Potência na carga].
Para o projeto devem ser tratadas as seguintes considerações:
fr = 60 [Hz] [Frequência da rede];
Vs = 12 [V] [Tensão eficaz no secundário];
Vd = 0,70 [V] [Queda de tensão no diodo];
∆VC
IzMIN = 10% Iz; [A] [Corrente mínima no zener];
IzMAX = 60% Iz; [A] [Corrente máxima no zener];
Dz 1N4733A; [Diodo zener selecionado 5,1V/1W]; e
D1 1N4007 [Diodo selecionado].
= 15%.VsMAX [V] [Ondulação no capacitor filtro];
Os instrumentos e os equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir:
Voltímetro;
Amperímetro;
Transformador com ponto central (+12V/+12V);
Osciloscópio.
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2.2.Circuito Montado. Esquemático do Circuito Figura 1 – Circuito retificador de meia onda com filtro e regulador a ser montado.
Fonte: Obtido pelo autor no ORCAD
Para encontrar os valores de resistência e capacitância adequados para as condições do circuito foram utilizadas as seguintes equações: =
(1)
() = 0,6 ∗
(2)
= −
(3)
= =
∗∆
+
(4) (5)
Da equação (1) tem-se que = 196 Da equação (2) tem-se que () = 117 Da equação (3) tem-se que = 16,27 Da equação (4) tem-se que = 14,995 Da equação (5) tem-se que = 765 E conclui-se que =
logo pode se afirmar que Rs = 84,62Ω
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3. Resultados de simulação e experimentais. Componentes utilizados: Tabela 1 – Componentes utilizados para montagem do Circuito. Componente Resistor Capacitor
Valor Utilizado 100 Ω 1000 µC
Fonte: Dados obtidos teoricamente pelo autor.
Primeiramente foi realizada uma análise do circuito sem a carga R0. Figura 2 – Circuito a ser analisado sem a carga R0.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
Figura 3 – sinal na análise sem carga.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
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Figura 4 – sinal na análise sem carga.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
Figura 5 – sinal na análise sem carga.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
Figura 6 – sinal na análise sem carga.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
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Tabela 2 – Valores simulados e experimentais para o circuito sem a carga. Circuito Retificador
Grandeza IzMED [mA]
Método de Análise Utilizado Simulado Experimental 102,58 80,9
VoMED [V]
5,11
5,44
∆VC [V]
1,56
1,28
VdPIV [V]
5,11
4,98
Fonte: Dados obtidos pelo autor.
Após essa análise foi inserida novamente a carga R0 para uma nova análise. Figura 7 – Circuito retificador de meia onda com regulador zener.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
Tabela 3 – Valores Teóricos, simulados e experimentais para o circuito sem a carga. Io (mA)
Ro (Ω)
Vo (V) - Teórico
Vo (V) - Simulado
Vo (V) - Experimental
0
∞
5,1
5,11
5,44
10,0
510
5,1
5,11
5,44
30,0
170
5,1
5,11
5,45
50,0
102
5,1
5,10
5,32
70,0
72,9
5,1
5,09
2,8
90,0
56,6
5,1
5,08
2,6
100,0
51
-
-
-
Fonte: Dados obtidos pelo autor.
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Na tabela 03 foi analisado somente até a corrente Io=90mA, devido ao cálculo de Romin que pode ser visto abaixo. = 0,5 =
Utilizando a condição e equação acima tem-se que o = 52,02Ω Para conseguir uma corrente de 100mA teria que Ro ter valor inferior ao e isso danificaria o dispositivo devido a potencia suportada. Após a análise de todos os circuitos e dos dados coletados, pode-se notar uma pequena discrepância entre os valores obtidos por métodos distintos. Estes podem ter como motivo arredondamentos realizados na parte teórica e também por não ter sido considerado as perdas existentes nos componentes de interligação do circuito.
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4. Questionário a) Determine a regulação de tensão na carga para os resultados experimentais e simulados na Tabela 2 e esboce a curva de regulação de tensão na carga em função do aumento da carga. Figura 8 – Gráfico da tensão pela resistência com dados simulados. 6 5 4 3 ) V ( 2 o V o ã 1 s n e T 0
0
100
200
300
400
500
600
700
Resistencia da carga (Ω)
Fonte: Dados obtidos pelo autor
Figura 9 – Gráfico da tensão pela resistência com dados experimentais. 6 5 4 3
) V ( o V2 o ã s n 1 e T
0 0
100
200
300
400
500
600
700
Resistencia da carga (Ω
Fonte: Dados obtidos pelo autor
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b) A partir dos resultados da Tabela 2 traçar as curvas Vo=f(I o) (simulada e experimental) e comente a respeito do comportamento gráfico obtido. Figura 10 – Gráfico da tensão pela corrente Io com dados simulados. 5,115 5,11 5,105 ) 5,1 V ( o V o 5,095 ã s n e T 5,09
5,085 5,08 5,075 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
Corrente Io (A)
Fonte: Dados obtidos pelo autor
Figura 11 – Gráfico da tensão pela corrente Io com dados experimentais 6 5 4 ) V ( 3 o V o ã 2 s n e T
1 0 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
Corrente Io (A)
Fonte: Dados obtidos pelo autor
Tem-se que ao diminuir a carga a corrente que passa por ela é cada vez maior, porem quanto maior a corrente maior a potência em cima da mesma, tendo em vista que a carga tem potência data pelo projeto com valor de 0,5W quando a 11
0,1
corrente é alta demais essa potência não é mantida e o diodo de zener tem sua função de regulador alterada.
c) Explique o comportamento do diodo zener na região de ruptura inversa Tem-se que quando esse dispositivo está reversamente polarizado (ânodo com um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão de valor constante aos seus terminais, este é o motivo pelo qual ele é aplicado em circuitos para a regulação da tensão. O gráfico de funcionamento do zener mostra-nos que, diretamente polarizado (1º quadrante), ele conduz por volta de 0,7V, como um díodo comum. Porém, na ruptura (3º quadrante), o diodo zener apresenta um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. A tensão é praticamente constante, aproximadamente igual a Vz em quase toda a região de ruptura. Figura 12 – Gráfico do funcionamento do diodo zener.
Fonte: Google Imagens
d) Analisando o circuito da Figura 2, suponha que o capacitor C seja retirado do circuito em um dado instante após o circuito ter atingido regime permanente. Análise e explique o comportamento do circuito para esta situação imposta fazendo uso de simulação. Apresente as formas de onda de tensão na carga. Quando retirado o capacitor o circuito volta a ser um retificador de meia onda, onde para valores negativos da tensão da fonte não há circulação de corrente devido ao diodo D1 estar reversamente polarizado, ficando o zener também fora
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de operação. Quando a tensão da fonte é maior que zero o zener ainda está fora, pois não tem corrente suficiente, a tensão vai toda para carga. Figura 13 – Simulação da situação sem capacitor.
Fonte: Obtida pelo autor no ORCAD.
e) Pesquise a respeito do regulador shunt programável TL431. Este dispositivo é um regulador ajustável de precisão Shunt Zener. Tem como característica que sua tensão de saída pode ser projetada para qualquer valor entre 2,5 e 36 V com o auxílio de um divisor de tensão formado por dois resistores. O TL431 é uma boa escolha para substituir um diodo zener em muitos projetos devido sua tensão programável Figura 14 – Circuito com TL431.
Fonte: Google Imagens
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f) Comente a respeito do comportamento das curvas apresentadas na Figura 3. Figura 15 – Ondas a serem analisadas.
Fonte: Roteiro da pratica do laboratório de eletrônica analógica UFC.
O primeiro gráfico da figura representa Vc em função do tempo, o seu traço significa a forma de onda da tensão na saído do capacitor(filtro), dele pode se concluir que tem variação ( ΔVC) de 16.25 até 13.75 V e a tensão média 15 V. O segundo gráfico da figura representa V Rs em função do tempo, esse resistor é um resistor limitador, ou seja, a tensão antes de ser regulada passa pelo resistor limitador que consome a máxima potência do circuito. O terceiro gráfico da figura representa V R0 em função do tempo, tensão esta que é regulada pelo diodo de zener. O quarto gráfico representa I R 0, esta corrente é a corrente que percorre a carga durante o funcionamento do circuito. 14
Ao analisar o gráfico pode ser constatado na pratica que a partir do momento em que a resistência da carga diminui abaixo do valor de R 0min, que na pratica realizada foi de 52,02Ω, o diodo de zener para de regular a tensão pois a corrente que passará pela carga será muito alta o que irá danificar já que fara existir uma potência maior que a permitida.
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5. Conclusões Tendo em vista os objetivos programados para esta prática, pode-se dizer que todos foram alcançados com sucesso, foi observado o comportamento dos componentes que compões um circuito retificador com filtro capacitivo e diodo de zener. Ficou claro a importância do dimensionamento de Rs para limitar a corrente que passa pelo diodo zener, pois este dispositivo possui uma corrente mínima para funcionar e tem um valor de corrente máximo para não queimar. Após a realização dos cálculos das grandezas específicas e das análises realizadas no circuito experimental, foi possível constatar que o diodo zener limitou a tensão a 5,1 V na carga até certo limite de resistência R 0, abaixo deste limite, R 0min, a tensão sofre um uma queda, pois a corrente que passa pelo diodo zener é menor que a corrente mínima de zener (Iz < Iz min). Após esta análise pode-se inferir que a prática foi realizada com êxito e que ficou claro como empregar este dispositivo na elaboração de um projeto que necessite de um limitador de tensão.
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Referências Bibliográficas [1] OLIVEIRA, D.S; BASCOPÉ, R. P. T. Roteiro de Aulas Práticas Nº 02 – Retificadores monofásicos de meia onda e onda completa sem e com filtro capacitivo
Fortaleza: DEE-
UFC, 2017. [2] BOYLESTAD, R. L; NASHELSKY, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Editora: Pearson-Prentice Hall, 2004. 8ª
Edição.
[3] Newton C. Braga, Regulador Programavel TL431 . Disponível em: < http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/banco-de-circuitos/filtros/10599-regulador programavel-tl431-cir8116>. Acesso em: 02 de maio de 2017.
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