ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

PSI 2307 – Laboratório de Eletrônica Exp.2 – Fontes de Tensão

Turma: ( ) SEG - T1-2 ( ) TER – T3 ( ) SEX – T4-5

Prof(s):

Data da realização do experimento: NOTA:

Bancada no:

Equipe: CÓPIA DO PROFESSOR

1o sem. 2004

Fontes de Tensão - Exp 2 -2

1. Introdução O experimento Fontes de Tensão tem como principais objetivos: • estudo do funcionamento do diodo zener e de circuitos reguladores de tensão

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 = 125V ef (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 mostra da na figura 1 seguindo os passos sugeridos.

Figura 1: Fonte de tensão com resistor e diodo zener

Exp. 2 -3 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

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 em anexo, determine os valores VA DC e VA pp (ondulação) no ponto A (entrada do regulador) considerando o resistor R como sendo a carga do filtro capacitivo.

VA DC =

VA pp =

Fontes de Tensão - Exp 2 -4

2.1.4. Por que o resistor R pode ser considerado como sendo a carga do filtro capacitivo no item 2.1.3? 2.1.5 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 VA max

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 =

Exp. 2 -5 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

2.1.6 Calcule o valor de RLmín

RLmin =

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

=

2.1.8 Calcule a Rejeição de Ripple para RL=RLmín RR p/ R L = Rlmin

=

Fontes de Tensão - Exp 2 -6

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

RC =

2.1.10. Calcule o η (rendimento) esperado para esta montagem.

η =

Exp. 2 -7 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

OBS.: Os itens 2.1.11 a 2.1.13 deverão ser feitos durante a aula experimental. 2.1.11 Calcule a Regulação de Linha para RL= RLi p/ RL =

=

2.1.12 Calcule a Rejeição de Ripple para RL= RR p/ R L =

=

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

RC =

Fontes de Tensão - Exp 2 -8

2.2 Regulador de Tensão com Transistor e Diodo Zener Projete a fonte de tensão regulada a transistor e diodo zener mostrada na figura 2 seguindo os passos sugeridos.

Figura 2: Regulador de tensão com transistor e diodo zener

2.2.1 Determine VA DC e V A pp (ondulação) no ponto A (entrada do regulador) considerando Rcarga do filtro capacitivo de 70Ω. Utilize RST = 4Ω .

VA DC =

VA pp =

Exp. 2 -9 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

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 =

Fontes de Tensão - Exp 2 -10

3. Procedimento Experimental e Análise de Resultados 3.1 Fonte de Tensão com Diodo Zener e Resistor 3.1.1 Procedimento Experimental Utilizaremos a placa e a montagem indicada na figura 3, para implementar o circuito de regulador de tensão com diodo zener e resistor projetado (figuras 1 e 4). A = Entrada do Regulador B = Saída

Figura 3: Representação da Placa e da montagem Fonte Regulada de Tensão com Diodo

Zener e Resistor utilizando a mesma.

Figura 4: Fonte de tensão com resistor e diodo zener

Exp. 2 -11 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

3.1.1.1 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). 3.1.1.2 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. 3.1.1.3 Ligue cuidadosamente o cabo de força à rede elétrica (125Vef); 3.1.1.4 Ajuste a caixa de resistências com o valor de RL indicados e meça os valores médios de tensão nos pontos A e B 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).

RL VADC (V) VApp (V) VB DC (V) VBpp (V)

RLmin =

RL =

RL = ∞ (aberto)

O valor VB DC está coerente?

Fontes de Tensão - Exp 2 -12

3.1.1.5 Desconecte cuidadosamente os terminais da rede (125Vef) da entrada do transformador. Remova a ligação entre os pontos A’ e A. 3.1.1.6. Ligue a fonte de alimentação HP3631A da bancada e ajuste sua tensão para o valor VADC do item 3.1.1.4. CUIDADO – Ajuste a fonte para o valor desejado sem conectá-la ao circuito. Confirme o valor ajustado medindo com o multímetro os terminais correspondentes da fonte. 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).

OBS: 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). 3.1.1.7. Com a fonte j á ajustada para o valor desejado, mas com sua saída em OUTPUT OFF, conecte-a adequadamente aos pontos A (positivo) e M (negativo) do circuito. 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). 3.1.1.8. Variando a resistência da década de 0 até 10KΩ (passando por RLmín) verifique o comportamento da fonte e monte a tabela abaixo (levante o número de pontos que julgar conveniente). Desenhe o gráfico VBDC x I RL (se preferir use o programa PLOTE para isto).

RL (Ω ) VB DC (V) IRL (A)

0

10K

RL = ∞ (aberto) rto)

0

3.1.1.9 Reconecte a caixa de resistências e o amperímetro entre os pontos B e E.

Exp. 2 -13 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

3.1.1.10 Ajustando RL para o valor solicitado e ajustando a tensão da fonte de alimentação para (VADC + 10%), VADC e (VADC - 10%) faça as medidas necessárias e preencha a tabela abaixo.

OBS: 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).

VA DC(V) VBDC (V) IRL (A) I fonte HP3631A (A)

(VADC - 10%)

RLmin = VA DC

(VADC + 10%)

(VADC - 10%)

RL = VA DC

(VADC + 10%)

3.1.1.11 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 Preencha a tabela a seguir com os valores esperados, experimentais ou calculados (indicando claramente todos os cálculos realizados). Justifique eventuais discrepâncias entre os valores esperados e experimentais.

RL = I RL = Esperado Experimental Desvio

VA DC

VAPP

VB DC

VBPP

RLi (regulação de linha)

RR (rejeição de ripple) RC (regulação de carga)

η (rendimento)

Fontes de Tensão - Exp 2 -14

3.1.2.2 Escolhendo o intervalo de pontos pertinentes do gráfico de VBDC x IRL, do item 3.1.1.8 (destacando no gráfico como calculou Ri), determine a resistência interna Ri do gerador equivalente associado à fonte de tensão de acordo com o modelo indicado na figura 5. Se desejar utilize a regressão do programa Plote para isso.

Figura 5: Modelo do Gerador Equivalente

Ri =

3.1.2.4 O valor de Ri neste caso deve ser baixo ou alto? O resultado obtido está coerente? Justifique.

Exp. 2 -15 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

3.2 Regulador de Tensão com Transistor e Diodo Zener 3.2.1. Procedimento Experimental Utilizaremos a placa e a montagem indicada na figura 6, para implementar o circuito de regulador de tensão com diodo zener e resistor projetado (figuras 2 e 7). A = Entrada do Regulador G = Saída

Figura 6: Representação da Placa e da montagem Fonte Regulada de Tensão com Transistor

e Diodo Zener utilizando a mesma.

Figura 7: Regulador de tensão com transistor e diodo zener

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

Fontes de Tensão - Exp 2 -16

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 (JUSTIFIQUE PORQUE). 3.2.1.3. 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. 3.2.1.4 Conecte cuidadosamente a entrada do transformador aos terminais da re de (125V ef) e em seguida meça e anote 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 (use os dois canais ao mesmo tempo, ambos no modo AC).

RL VADC (V) VApp (V) VGDC (V) VGpp (V)

RLmin =

RL =

RL = ∞ (aberto)

O valor VGDC está coerente?

Exp. 2 -17 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

3.2.1.5 Desconecte cuidadosamente os terminais da rede (125Vef) da entrada do transformador. Remova a ligação entre os pontos A’ e A. 3.2.1.6. Ligue a fonte de alimentação HP3631A da bancada e ajuste sua tensão para o valor VADC do item 3.2.1.4. CUIDADO – Ajuste a fonte para o valor desejado sem conectá-la ao circuito. Confirme o valor ajustado medindo com o multímetro os terminais correspondentes da fonte. 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).

OBS: 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). 3.2.1.7. Com a fonte já ajustada para o valor desejado, mas com sua saída em OUTPUT OFF, conecte-a adequadamente aos pontos A (positivo) e M (negativo) do circuito. 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). 3.2.1.8. Variando a resistência da década de 0 até 10KΩ (lembre-se que neste caso a resistência total da carga RL é dada pela resistência da década em série com RLmin ) verifique o comportamento da fonte e monte a tabela abaixo (levante o número de pontos que julgar conveniente). Desenhe o gráfico VGDC x IRL (se preferir use o programa PLOTE para isto).

RL (Ω ) VGDC (V) IRL (A)

RLMIN =

RLMIN+10K = 3.2.1.9 Reconecte o amperímetro e a caixa de resistências entre os pontos G e F.

Fontes de Tensão - Exp 2 -18

3.2.1.10 Ajustando RL para o valor solicitado e ajustando a tensão da fonte de alimentação para (VADC + 10%), VADC e (VADC - 10%) faça as medidas necessárias e preencha a tabela abaixo.

OBS: 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).

VA DC(V) VGDC (V) IRL (A) I fonte HP3631A (A)

(VADC - 10%)

RLmin = VA DC

(VADC + 10%)

(VADC - 10%)

RL = VA DC

(VADC + 10%)

3.2.1.11 Pressione a tecla Output ON/OFF e certifique-se que o display da fonte indica OUTPUT OFF. 3.2.2 Análise dos Resultados 3.2.2.1 Preencha a tabela a seguir com os valores esperados, experimentais ou calculados (indicando claramente todos os cálculos realizados). Justifique eventuais discrepâncias entre os valores esperados e experimentais.

RL = IRL = Esperado Experimental Desvio

VA DC

VAPP

VGDC

VGPP

RLi (regulação de linha)

RR (rejeição de ripple) RC (regulação de carga)

η (rendimento)

Exp. 2 -19 – Fontes de Tensão Eletrônica Experimental

3.2.2.2 Escolhendo o intervalo de pontos pertinentes do gráfico de VBDC x IRL, do item 3.1.1.8 (destacando no gráfico como calculou Ri), determine a resistência interna Ri do gerador equivalente associado à fonte de tensão de acordo com o modelo indicado na figura 5. Se desejar utilize a regressão do programa Plote para isso.

Ri =

3.2.2.3 O valor de Ri neste caso deve ser baixo ou alto? O resultado obtido está coerente? Justifique. 3.2.2.4 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? Justifique. 3.2.2.5 Compare os valores obtidos para a ondulação no ponto A (VAPP ) das duas montagens? Isto era esperado? Por quê ? 3.2.2.4 Na verdade, cada fonte tem uma finalidade distinta. Se as duas fontes forem testadas nas mesmas condições (como você faria isto?), o que você esperaria para a ondulação no ponto A dos dois circuitos? Justifique.

Fontes de Tensão - Exp 2 -20

4. Conclusões

Fontes de Tensão - Exp 2 -22