Conteúdo1. RESUMO...............................................................................................................................2

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA....................................................................................................2

3. OBJETIVOS...........................................................................................................................3

4. MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS............................................................................3

4.1. Materiais Utilizados:........................................................................................................3

4.2. Métodos Utilizados..........................................................................................................3

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES...........................................................................................5

6. CONCLUSÃO......................................................................................................................10

7. BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................11

7. 1. Livros.................................................................................................................................11

7. 2. Sites...................................................................................................................................11

1. RESUMO

O relatório referente ao sexto experimento realizado no laboratório da disciplina de Eletrônica Analógica I aborda primeiramente as principais características e conceitos acerca do diodo Zener, seu princípio de funcionamento, bem como valores teóricos de tensão e corrente de trabalho. Em seguida são expostos os materiais utilizados e os procedimentos de execução do experimento. O procedimento experimental foi divido em duas etapas distintas. A primeira etapa consistiu na obtenção e estudo da curva característica de um diodo Zener da família 1N4730, por meio de um Osciloscópio digital, enquanto a segunda parte consistiu na aplicação do diodo Zener em um circuito regulador de tensão, onde foram analisados e comparados os sinais de entrada e saída. Os valores teóricos de tensão foram obtidos através de cálculos matemáticos, considerando alguns valores simplificados e/ou predeterminados. O circuito proposto também foi simulado via software Multisim. Os valores obtidos no experimento foram comparados aos teóricos bem como aos obtidos por simulação.

Os resultados obtidos nos três métodos tiveram uma semelhança satisfatória, onde os valores teóricos comprovam e verificam os experimentais e de simulação. Erros de medição, falta de perícia no manuseio dos equipamentos, arredondamento de valores e falta de precisão nos instrumentos podem ter ocasionado erros e variações nos valores e com isso divergências nos valores experimentais. E por fim, a conclusão reúne uma síntese sobre o conhecimento adquirido e a importância do estudo em questão.

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA

Os diodos Zener ou Diodos de Ruptura são como diodos retificadores que operam na região de ruptura inversa. Os circuitos com diodo Zener são comumente utilizados como reguladores de tensão já que estes podem fornecer uma mesma tensão média ainda que varie a corrente.

Na maioria das aplicações do diodo Zener a corrente[Iz] passa pelo catodo e depois pelo anodo. Nesses casos o catodo torna-se positivo em relação ao anodo.

Figura 1 – Simbologia diodo Zener

A curva característica do diodo Zener é semelhante a de um diodo normal, no qual um diodo Zener opera na polarização inversa, mas sendo polarizado diretamente um diodo Zener funciona como um diodo normal com Vd=0,7V( se diodo for de silício).

Na curva característica de um diodo Zener a tensão de ruptura é também denominada tensão Zener. Nessa região de ruptura o diodo Zener mantém, quase que constante, Vz mesmo que haja uma variação significativa no valor da corrente[I].

Caso I seja maior que Izmáx o diodo Zener será danificado.

Figura 2 – Curva característica diodo Zener

O uso do diodo Zener em projetos está sendo reduzido já que este componentes estão sendo substituídos gradativamente por CIs(circuitos integrados), especialmente em projetos de fontes como regulador paralelo(shunt). Nos quais, os CIs são mais eficientes e possuem maior flexibilidade.

3. OBJETIVOS

O experimento 6 – Diodo Zener visa entender o funcionamento e as propriedades deste diodo, além de realizar o levantamento de sua curva característica.

4. MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS

4.1. Materiais Utilizados:

01 resistor de 10kΩ; 01 diodo Zener 1N4730 de 3,9V; 01 diodo 1N4148; 01 capacitor eletrolítico 100µF; 01 gerador de funções; 01 osciloscópio; 01 protoboard; Cabos para conexão; Pontas de prova para os instrumentos de medição; Software Multisim.

4.2. Métodos Utilizados

O procedimento experimental é divido em duas partes.

4.2.1 Curva VdxId do diodo através do OsciloscópioPrimeiro medimos a tensão no diodo no modo direto[Vdd] e reverso[Vdr].

Mensuramos Vdd = 0,707V e Vdr = 0V. Depois montamos no protoboard o circuito de acordo com a Figura 3, utilizando o

diodo 1N4730 e o resistor de 10kΩ, e configuramos o gerador de funções num sinal senoidal

de 10Vp e 1kH. Após alterarmos as pontas de prova do osciloscópio e o osciloscópio em 1X medimos

o sinal referente à tensão no diodo pelo canal 1(eixo x, horizontal) e o sinal referente à corrente no diodo (tensão em R1) pelo canal 2(eixo y, vertical).

Usamos o acoplamento DC nos canais e invertemos o canal 2. E, por último, alteramos o osciloscópio para o modo XY para realizamos a análise do sinal (curva característica do diodo Zener).

Figura 3 –Circuito I

4.2.2 Regulador de tensão com o Zener

Com o gerador de funções, o osciloscópio e as pontas de prova já regulados, apenas montamos no protoboard o circuito da Figura 4. Medimos o sinal sobre o resistor R1 e o sinal de entrada do gerador para realizamos as análises dos sinais.

Figura 4 –Circuito II

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1. Curva VdxId do diodo através do Osciloscópio

A forma de onda obtida através do osciloscópio apresentou algumas inconsistências devido às próprias limitações e características do aparelho, como pode ser visto na figura 7 e no esboço da curva, figura 6.

Um resultado mais satisfatório foi obtido por meio da simulação do circuito no Multisim, onde pode-se utilizar um osciloscópio diferente do usado no experimento, com canais isolados ou independentes. Pela curva obtida no software (figura 8), pode-se visualizar à esquerda do eixo central a região Zener, o “joelho” onde se localiza a tensão reversa mínima (Vz) necessária para que o diodo conduza no sentido reverso e assim realize a regulação de tensão. À direita do eixo vertical central pode-se visualizar que o Zener apresenta uma curva característica igual a de um diodo comum sob polarização direta, em que assume um comportamento exponencial sob uma tensão maior que sua tensão de saturação.

Figura 5 – Circuito I para curva característica

Figura 6 – Esboço da curva característica do diodo Zener _ circuito I

Figura7 – Curva característica do diodo Zener _ circuito I _ Osciloscópio

OBS.: A curva característica não deveria ser esta forma geométrica, no qual os lados direito e inferior não deveriam existir. Este problema ocorreu devido ao osciloscópio utilizado que tem apenas um terra, comum a todos os canais de entrada.

Figura 8 – Curva característica do diodo Zener _ circuito I _ Multisim

5.2. Regulador de tensão com o Zener

Nesse circuito foi utilizado um diodo em série com gerador de função, um capacitor em paralelo com o gerador de função e um diodo Zener também em paralelo com o gerador de função. Os componentes têm as seguintes funções:

O Diodo D2 (ver figura 09) retifica a onda de entrada, de tal forma que somente a tensão positiva, oriunda do semiciclo positivo, ou seja, da polarização direta do diodo, adentra no circuito. O Capacitor C1 é carregado no semiciclo positivo e se descarrega pela carga no período de ausência de tensão sobre ele, o que aumenta a tensão média sobre a carga. A rampa de descarga do capacitor é visível na forma de onda sobre a carga (ver figura 12).

O Diodo Zener foi inserido no circuito de forma a sempre se polarizado reversamente, ou seja, tensão no catodo maior que tensão no anodo. O diodo zener utilizado tem a tensão de operação, ou tensão Zener igual a -3,9v, o que significa que sempre que o módulo da tenção reversa sobre ele ultrapassa esse valor, o mesmo regula a tensão para 3,9v, por meio de um dreno de corrente.

Observação: o Diodo Zener está conectado em paralelo com o capacitor, o que faz com que o capacitor só se carregue até a tensão limitada pelo Zener.

Figura 9 – Circuito II Regulador de Tensão

Figura 10 – Esboço sinal de entrada e saída do circuito II

Obs.: Valores do sinal de saída do esboço acima: Vmáx = 3,6V e Vmin = 3,2V. Valores do sinal de entrada do esboço acima: Vmáx = 4,6V e Vmin = -10V.

Figura 11 – Sinal de entrada e saída do circuito II _ Ociloscópio

OBS.: O sinal de entrada, nas figuras relacionadas aos dados do laboratório, não está pleno Vpp = 20V) devido ao diodo zener que influenciou decaindo o sinal de entrada.

Os sinais vistos acima apresentam tensões máximas de entrada (4,60V) diferentes de tensões máximas na carga (3,8V). Isso se deve ao fato de existir uma queda de tensão no diodo D2, o que faz com que o Zener atue quando a tensão de entrada está aproximadamente 0,7V acima da tensão de Zener.

Figura 12 – Sinal de entrada e saída do circuito II _ Multisim

Cálculo do tempo de descarga do capacitor:

τ = RC (1)

t descarga = 5 τ (2)

T=1/F (3) , Onde τ é a constante de tempo capacitiva, C é capacitância, R é resistência, T representa o período e F a frequência.

Por meio da equação (1), obtém-se que τ=(10000)x(100uF). Substituindo este valor em (2), obtém-se o tempo de descarga: t descarga = 5 (1) = 5s.

A equação (3) permite calcular o período da tensão de entrada, nesse caso:T=1/1kHz = 1ms.

Comparando os valores pode se concluir que:t descarga = 5s >> 1ms (Período da tensão de entrada)

logo, teoricamente, a tensão mínima na carga é aproximadamente 3,90V.

Valores Tensão Máxima na carga Tensão Mínima na cargaExperimental 3,80V 3,20VSimulação computacional 4,03V 3,83VTeórico 3,90V (VZener) ~3,90VTabela01: valores obtidos por meio teórico, computacional e experimental.

Os valores de tensão máxima sobre a carga, apresentaram uma pequena variação para menos no método experimental, e uma pequena variação para mais na simulação em relação ao valor teórico. A tensão mínima na carga apresentou pouquíssima diferença entre o teórico e a simulação, mas uma diferença considerável entre o valor teórico e o experimental.

6. CONCLUSÃO

Todo o procedimento experimental foi realizado por completo, assim foram desenvolvidas análises de formas de ondas e com o auxílio de um protoboard foram montados dois circuitos elétricos: Circuito I – Diodo Zener em série, e o Circuito II – Diodo Zener em paralelo com um capacitor (regulador de tensão). O experimento também foi simulado na plataforma de simulação multisim, assim, realizando análises e discussões entre o contexto teórico e experimental.

A realização deste experimento contribuiu para o aprendizado do funcionamento de um diodo zener, e sua diferença entre um diodo comum de junção PN. Ou seja, diodos mais comuns quando inversamente polarizados praticamente não conduzem corrente elétrica a não ser que ultrapassem a tensão de ruptura. E no diodo zener é semelhante, mas sem aquele efeito avalanche que ocorre nos diodos comuns e a tensão de ruptura (tensão zener) é bem menor que a tensão de um diodo comum de junção PN. Observamos estes detalhes através da curva obtida pelo Circuito I.

7. BIBLIOGRAFIA

7. 1. Livros

DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E TEORIA DE CIRCUITOS, ed. 3 - ROBERT L. BOYLESTAD e LOUIS NASHELSKY - Pearson, 2009.

7. 2. Sites

http://www.ibytes.com.br/a-principal-funcao-do-diodo-zener-e-manter-a-tensao-sempre-constante/http://www.ebah.com.br/content/ABAAABqI0AJ/diodo-zener