Esboce as formas de onda da tensão de entrada
e da tensão de saída
. Considere a fonte de entrada como uma senoide com
de pico,
e o diodo com tensão direta de
e com tensão zener de
.
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Esboçar as formas de onda de
e de .
Informações fornecidas (valores retirados do enunciado e da imagem):
- Fonte de entrada: senoide com pico de
. Vou usar a representação . -
. -
. - Diodo
: tensão direta (quando conduz em direta) . - Diodo zener: tensão de zener
. - Topologia (da imagem):
em série entre e o nó de saída; entre o nó e terra; diodo zener entre o nó e terra, com o cátodo no nó e o ânodo no terra (isto é, zener reversamente polarizado quando o nó fica positivo).
Pergunta que vamos responder: descrever/mostrar as duas formas de onda (entrada e saída) e definir os níveis de recorte / as regiões de operação.
Passo 2
Conceitos básicos e comportamento qualitativo do diodo zener (aula curta e prática)
- Um zener com cátodo positivo em relação ao ânodo:
- Em polarização reversa, quando a tensão no cátodo-exceto-anodo atinge aproximadamente
, o zener entra em ruptura e mantém a tensão no nó próxima de (com corrente circulando pelo zener). - Em polarização direta (cátodo negativo relativo ao anodo), o diodo se comporta como um diodo comum e conduz com queda aproximada
.
- Em polarização reversa, quando a tensão no cátodo-exceto-anodo atinge aproximadamente
- Quando o zener está “desligado” (nem em ruptura nem em direta), o nó entre
e forma um divisor resistivo simples: se o diodo não conduz então Aqui logo Isto significa que, enquanto o zener estiver desligado, a saída é simplesmente metade da entrada.
Passo 3
Determinar os pontos de comutação (quando o zener começa a conduzir em ruptura e quando o diodo conduz em direta)
- Para o zener entrar em ruptura positiva: a divisão sem zener daria
. A ruptura começa quando a tensão no nó tentaria ultrapassar , ou seja quando Substituindo : Portanto, para o zener entra em ruptura e prende em aproximadamente . - Para o diodo conduzir em direta (recorte negativo): a condução direta prende o nó a aproximadamente
quando a metade da entrada tenta ficar abaixo de . Assim Com : Portanto, para o diodo conduz em direta e prende em aproximadamente .
Comentário prático: entre as duas regiões acima (
) o zener está desligado e a saída segue a divisão
.
Passo 4
Verificação de correntes nos extremos (garantir que o zener consegue manter o clamp)
- Máxima positiva:
. Se o zener prende , a corrente por é A corrente pelo resistor de carga é Então a corrente no zener será (positiva), ou seja o zener pode sustentar a ruptura e manter . - Máxima negativa:
. Se o diodo conduz em direta e o nó fica em , a corrente por é o que significa cerca de saindo do nó para a fonte através do diodo (corrente de diodo suficiente para conduzir). A carga exige . Logo a condução direta também é consistente.
Passo 5
Expressão temporal e intervalos angulares (para esboço preciso)
- Usando
, as condições de comutação ficam: - Zener conduz (clamp positivo) quando
, isto é . - Solução principal:
com
- Solução principal:
- Zener conduz (clamp positivo) quando
- Diodo conduz em direta (clamp negativo) quando
, isto é . - Solução no intervalo
: com
- Solução no intervalo
- Para os intervalos restantes (quando
e ) o diodo está desligado e
Passo 6
Descrição do esboço das formas de onda (como desenhar na prova)
-
: senoide de amplitude (pico a pico ). Marcar os picos em e . -
: traçar peça por peça: - Do ângulo
até (e de até ): desenhar uma senoide escalada de amplitude (ou seja ). Esta é a região em que o zener/diodo estão desligados. - De
a (trecho superior perto do pico): desenhar uma linha horizontal em (recorte superior). A forma passa de a esse nível e permanece plana durante esse intervalo angular. - De
a (trecho na parte negativa): desenhar uma linha horizontal em (recorte inferior).
- Do ângulo
- Ponto de transição: as curvas
e as linhas de recorte se encontram exatamente nos ângulos calculados antes; desenhar transições suaves (passagem de função de seno para segmento horizontal) — em prática a mudança é rápida devido à comutação do diodo/zener.