Eletrical Circuits Lab Report - Zener Diode PDF

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Eletrical Circuits Lab Report - Zener Diode...

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Univ Universid ersid ersidad ad ade e FFeder eder ederaal de SSaa nt ntaa C Caatar tarina ina ((UFSC) UFSC) Centr Centro od de e Ciê Ciências, ncias, Tecn Tecnolog olog ologia ia e SSaaúde (CT (CTS) S) Dep Depaart rtame ame amento nto d de e Co Comput mput mputação ação (DE (DEC) C) Discipl Disciplin in inaa : DEC7547 – Laboratório de Circuitos Elétricos Turm Turmaa: 06655 Prof Professor: essor: Fabrício Ourique Alu Alunos: nos: Vinicius Camozzato Vaz Matr Matrícul ícul ícula: a: 16250625

Rel Relatório atório 10 Diod Diodos os ZZener ener

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Objeti Objetivo vo

Compreender o funcionamento do componente eletrônico diodo zener e suas possíveis aplicações.

2

Proce Procedim dim diment ent ento: o: C Curva urva Cara Caracter cter cterísti ísti ística ca

Neste procedimento foi solicitado a montagem do circuito descrito pela figura abaixo. Após a montagem realizamos algumas medições que serão descritas detalhadamente abaixo.

Figura 1 No circuito montado utilizamos R com valor de 470Ω e o dodo zener 1N4728. Para o cálculo da tensão máxima que o diodo suporta analisamos o datasheet do componente para calcular Vs máx. Utilizamos a corrente máxima fornecida pelo fabricante de 276mA, como esse diodo, quando polarizado inversamente tem queda de 3.3V, aplicamos lei das tensões onde: 𝑉𝑠 = 470x(276x10−3) + 3.3 Obtendo assim o valor de Vs = 133.05 V Feito isso conectamos o canal 1 do osciloscópio entre os pontos A e C, e o canal 2 entre os pontos A e B, com o comum no ponto A. Fornecemos ao circuito um sinal senoidal de f = 1kHz e tensão 5Vpp. Observamos as seguintes curvas no osciloscópio:

Figura 2 A curva amarela representa a tensão sobre o diodo em função do tempo, já a curva azul a tensão sobre o resistor em função do tempo. Observamos que, quando na polarização direta o diodo zener funciona normalmente como qualquer diodo, obedecendo a curva i-v característica vista anteriormente. Já na polarização inversa o diodo zener funciona como um regulador de tensão, onde se a tensão fornecida for maior em modulo do que a tensão de operação do diodo (tensão zener Vz), ele permite a passagem de correntes e mantém uma queda de tensão constante sobre seus terminais. No caso do diodo 1N4728, Vz = 3.3V. Para obter a curva característica do diodo alteramos o modo de varredura do osciloscópio para XY e observamos o resultado:

Figura 3 X: Tensão Y: Corrente Notamos que a curva representa nossa analise feita previamente pois, quando polarizada diretamente o comportamento do diodo é descrito pela exponencial já vista, aproximada de 0.7V, já na polarização inversa, quando a tensão fornecida ultrapassar a tensão zener o diodo passa a permitir a passagem de correntes com uma queda de tensão constante.

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Proce Procedim dim diment ent ento: o: FFonte onte de TTensã ensã ensão oR Regul egul egulad ad adaa

Neste procedimento montamos o circuito descrito pela Figura 4 com o intuito do mesmo funcionar como uma fonte de tensão regulada, onde o diodo zener funciona como regulador de tensão.

Figura 4

O circuito foi montado inicialmente utilizando: • Diodos 1N4007 • Diodo Zener 1N4735 • R1 = 470Ω • R2 = 1kΩ • C1 = 10uF Analisando o circuito percebemos que os diodos D1, D2, D3, D4 funcionam como retificadores da onda senoidal de entrada passada pelo transformador TR1. O diodo zener D5 é um regulador que opera na polarização inversa garantindo a queda de tensão de 6.3V em seus terminais, como está em paralelo com a carga R2, a tensão sobre a carga será a mesma que sobre os terminais do diodo. Após uma análise breve do circuito realizamos algumas medições com as configurações passadas, elas foram: • Tensão DC no capacitor • Tensão DC em R2 • Tensão ripple no capacitor • Tensão ripple em R2 • Corrente em R2 • Corrente em R1 • Corrente em D5 (Zener)

Os valores obtidos foram os seguintes: R2 = 1kΩ Vin(DC) Capacitor → 10.76V Vin(DC) R2 → 6.03 V Vin(ripple) Capacitor → 4.40V Vin(ripple) R2 → 440mV iR2 → 6.15mA iR1 → 9.89mA iZ1 → 3.80mA Conectamos o osciloscópio para analisar as curvas geradas sobre R2 e sobre o capacitor e obtivemos:

Figura 5 A curva azul representa a tensão em função do tempo sobre a carga R2, já a curva amarela representa a tensão em função do tempo sobre C1. Notamos que no há um pequeno ripple na carga R2, isso ocorre no momento quando a tensão no capacitor fica do que a tensão Zener, assim o diodo não garante a queda constante de aproximadamente 6V nesse caso. O valor ideal da tensão ripple sobre R2 seria de 0V, onde, neste caso, teríamos uma tensão constante. Alteramos a carga R2 para 500Ω e realizamos as mesmas análises. Os resultados foram: R2 = 500KΩ Vin(DC) Capacitor → 10.47V Vin(DC) R2 → 5.17V Vin(ripple) Capacitor → 5.28V Vin(ripple) R2 → 2.32V iR2 → 11.07mA iR1 → 11.25mA iZ1 → 0.24mA

Figura 6 Notamos que a tensão ripple aumenta, isso acontece pois o capacitor descarrega mais rápido assim o tempo em que a tensão sobre o diodo zener é menor do que Vz é maior, logo a onda irá se comportar de maneira similar a onda no capacitor, e somente terá a tensão garantida de 6.6V quando a mesma ultrapassar o limite de Vz. Percebemos isso também analisando a corrente sobre Z1 vista na tabela acima que se aproxima muito de zero. O mesmo foi feito para 220Ω R2 = 220Ω Vin(DC) Capacitor → 10.05V Vin(DC) R2 → 3.20V Vin(ripple) Capacitor → 6.16V Vin(ripple) R2 → 2V iR2 → 14.65mV iR1 → 14.53mV iZ1 → 0

Figura 7 Comparando a tensão de ripple quando R2 = 220Ω e R2 = 500Ω notamos uma incompatibilidade com o raciocínio seguido de que quanto menor for R2 mais distante de uma onda retificada constante teremos. Isso acontece pois como a corrente sobre o diodo zener é 0, ou muito próxima, R2 e R1 funcionam como divisores de tensão simples,

logo quanto menor a o valor da resistência, menor será a queda sobre o dado resistor. Sendo assim, a tensão ripple com R2 = 220Ω ficará menor do que com 500Ω pois o diodo está em corte, funcionando como circuito aberto. O mesmo foi feito para 100Ω R2 = 100Ω Vin(DC) Capacitor → 9.72V Vin(DC) R2 → 1.70V Vin(ripple) Capacitor → 6.80V Vin(ripple) R2 → 1.20V iR2 → 17.2mA iR1 → 16.92mA iZ1 → 0A

Figura 8 O mesmo raciocínio se aplica para R2 = 100Ω, já que 100 < 200, a tensão sobre R2 = 100Ω é menor se comparado a R2 = 220Ω. Porém se houvesse corrente sobre o Zener, observaríamos uma situação diferente, onde quanto menor a resistência R2 maior Vin ripple sobre R2.

Feito todos estes procedimentos com o diodo zener 1N4735, alteramos para o 1N4739, que tem tensão zener de aproximadamente 9V. Repetimos todas análise feitas anteriormente.

R2 = 1KΩ Vin(DC) Capacitor → 11.13V Vin(DC) R2 → 7.56V Vin(ripple) Capacitor → 3.96V Vin(ripple) R2 → 2.64V iR2 → 7.67mA iR1 → 7.64mA iZ1 → 0A

Figura 9 Alterando o zener notamos que mesmo com o resistor de 1kΩ já temos uma situação onde a tensão sobre R2 é quase igual a tensão sobre o capacitor. Isso ocorre pois como a tensão zener é maior, para haver a regulação de tensão precisamos atingir um valor mais alto de tensão se comparado às primeiras análises. Como modificamos apenas o diodo, aumentando Vz, não seria possível ter uma onda sobre a carga R2 de melhor qualidade do que na primeira análise. R2 = 500Ω Vin(DC) Capacitor → 10.57V Vin(DC) R2 → 5.27V Vin(ripple) Capacitor → 5.28V Vin(ripple) R2 → 2.60V iR2 → 11.34mA iR1 → 11.24mA iZ1 → 0A

Figura 10 A situação se repete, com o diodo 1N4739, desde a análise com R2 = 1kΩ o diodo já estava em corte, logo, qualquer modificação no valor de R2 para menos resultará no diodo zener em corte, e R1 e R2 trabalharão como divisor de tensão simples.

R2 = 220Ω Vin(DC) Capacitor → 9.99V Vin(DC) R2 → 3.17V Vin(ripple) Capacitor → 6.32V Vin(ripple) R2 → 2V iR2 →14.5 mA iR1 → 14.6mA iZ1 → 0A

Figura 11 R2 = 100Ω Vin(DC) Capacitor → 9.67V Vin(DC) R2 → 1.7V Vin(ripple) Capacitor → 6.96V Vin(ripple) R2 → 1.24V iR2 → 17.2mA iR1 → 17.1mA iZ1 → 0A

Figura 12 O efeito da redução da resistência R2 observado foi o esperado como já descrito anteriormente. O aumento da Vz fez com que o circuito operasse de maneira inferior ao anterior, considerando o objetivo proposto....