IF-UFRJ Elementos de Eletrônica Analógica FIW362 Mestrado Profissional em Ensino de Física Prof. Antônio Carlos Fontes dos Santos Aula 1: Divisores de tensão e Resistência interna de uma fonte de tensão Este material foi baseado em livros e manuais existentes na literatura (vide referências) e na internet e foi confeccionado exclusivamente para uso como nota de aula para as práticas de Laboratório de Física Moderna Eletrônica. Pela forma rápida que foi confeccionado, algumas partes foram extraídas quase verbatim de outros autores citados na lista de referências. Trata-se de um texto em processo de constante modificação. Por gentileza, me informe os erros que encontrar. O divisor de tensão é baseado na idéia de que em qualquer circuito em série a tensão é diretamente proporcional à resistência. A figura abaixo mostra um circuito com dois resistores em série, constituindo um divisor de tensão. A resistência total é igual à soma de todas as resistências: R = R1 + R2 (1) Usando a definição de resistência para calcular a corrente no circuito: i= Ventrada R (2) A tensão em cima do resistor R2 (tensão de saída) é dado por Vsaída = R2i = R2 Ventrada R1 + R2 (3) Fig. 1 – Divisor de tensão elementar Resistência interna da fonte Idealmente, uma fonte de tensão é um dispositivo que fornece uma tensão independentemente da carga, ou seja, do valor de R na equação 2. Mas, na realidade, fontes de tensão possuem resistências internas. A figura 2 ilustra uma fonte ideal (esquerda) e uma fonte real (direita). A resistência interna da fonte é representada por ri. No primeiro caso, a f.e.m da fonte, ε, aparece totalmente em cima da carga, R, para qualquer valor de R. No segundo caso, aparece uma queda de tensão na resistência interna da fonte, de modo que a tensão de saída, ou seja, a tensão em cima da carga R é dada por Vsaida = ε − rii (4) e como a corrente é dada por ε i= R + ri (5) Resultando em Vsaida = ε ⋅R R + ri (6) 1 Ou seja, a tensão de saída depende da carga. A equação 6 mostra que a tensão de saída será igual à f.e.m quando a resistência interna da fonte for nula, ou quando a carga R for muito maior do que a resistência interna da fonte. Então, para que não sobrecarregar a fonte, devemos utilizar valores altos para R. Em geral, as fontes vêm com indicação da corrente máxima que podem fornecer de modo a não sobrecarregá-las. No caso do seu protoboard, este valor está em torno de 0,6 A (verifique!). Fig. 2 – Esquerda, fonte ideal com resistência interna, ri , nula; Direita, fonte real com resistência interna não nula. Divisores de tensão carregados Algumas vezes é essencial que a tensão fornecida por um divisor de tensão permaneça fixa; isto é, a tensão não deve cair significativamente quando uma carga RL é conectada. Para prevenir tais efeitos de carregamento, usamos cargas de valores suficientemente grandes para que o circuito divisor de tensão seja alterado minimamente. Isto é realizado utilizando os chamados divisores de tensão firmes ou rígidos. Em um divisor firme, a carga é no mínimo 10 vezes o valor resistivo da resistência sobre a qual é conectada (RL = 10.R2) . A carga em um divisor rígido é no mínimo 100 vezes o valor resistivo da resistência sobre a qual é conectada (RL = 100.R2). Os conceitos de divisores de tensão firmes e rígidos são importantes para selecionar o equipamento de teste adequado para medir tensão em circuitos eletrônicos e para estudar circuitos com transistores. Fig. 3 – Um divisor de tensão carregado. 2 Prática: Sua bancada de teste tem uma fonte de tensão simétrica com uma voltagem V=±12 V. Projete um divisor de tensão que use uma corrente total de (12±1) mA, e cuja saída seja de (5±1) V. Meça a corrente e a voltagem de saída simultaneamente com dois multímetros digitais. Compare os valores medidos com os de seu projeto. Não se esqueça de anotar os valores dos resistores escolhidos e suas tolerâncias. Cálculos: a) Resistência total R b) Resistores individuais: R1 e R2 . Caso não encontre os resistores com os valores exatos, utilize valores próximos. Cálculos: resistores Valor calculado Valor utilizado Tolerância (%) R1 (Ω) R2 (Ω) Montagem experimental: a) Desenhe de forma esquemática o circuito. Não se esqueça de incluir o amperímetro e o voltímetro. b) Valores medidos: Tensão da fonte (V) Tensão sobre R1 (V) Tensão de saída (V) Corrente (mA) Para casa (entregar na próxima aula) Exercícios: [1] Você dispõe de uma fonte de + 5 V DC e que fornece uma corrente máxima de 0,5 A. Projete um divisor resistivo que utilize 1 % da corrente máxima da fonte e que alimente uma carga com + 3V. Qual o valor mínimo da carga de forma que o divisor seja firme, evitando-se assim efeitos de carregamento? [2] Projete um divisor de tensão que utilizando uma fonte de 15 V forneça uma tensão de saída de 6 V, e drene uma corrente máxima de 0,1 mA. Qual a carga mínima que pode ser conectada ao divisor ? 3 [3] Qual deve ser o valor de RL na figura abaixo para assegurar que a tensão com carga varie não mais que 1 % em relação à tensão sem carga? Referências: [1] – David E. Lalond, John A. Ross, Dispositivos e circuitos eletrônicos Volume 1, Makron Books. [2] - Laboratório de Eletricidade e Eletrônica , F. G. Capuano e M. A. M. Marino. Ed. Érica Apêndice: código de cores de resistores 4 cor Prata Ouro Preto Marrom Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Cinza Branco Valor o o o 1 ,2 e3 digitos Multiplicador n 10 -2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 10 o 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 Tolerância Coeficiente de temperatura 10 % 5% 1% 2% 100 ppm 50 ppm 15 ppm 25 ppm 0,5 % 0,25% 0,1 % 5