Capítulo 5
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Like this? Share it with your network

Share

Capítulo 5

on

  • 47 views

5cap

5cap

Statistics

Views

Total Views
47
Views on SlideShare
47
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft Word

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Capítulo 5 Document Transcript

  • 1. Capítulo 5 Diodos Especiais Como já vimos, os diodos retificadores são otimizados para a retificação. Entretanto, existem outros tipos de diodos usados em diversas aplicações. Entre eles podemos citar o Zener, o LED, o Schottky e o Varactor. Destes, apenas o Zener iremos ver em detalhes e os outros apenas citaremos. 5.1 Diodo Zener Os diodos retificadores nunca devem operar na região de ruptura, pois isto poderá danificá-los. Um diodo Zener é diferente, ele é um diodo de silício que o fabricante aperfeiçoou para trabalhar na região de ruptura. O diodo Zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (VZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. Nos circuitos reguladores de tensão a parte mais importante é o diodo Zener, pois são eles que mantêm a tensão na carga praticamente constante apesar das grandes variações na tensão da linda e da resistência de carga. Os diodos Zener podem ser fabricados com tensões de ruptura entre 2 e 200 V, dependendo da dopagem dos diodos de silício. Seu símbolo e o modelo real são mostrados abaixo:
  • 2. 5.1.1 Gráfico IxV O gráfico de funcionamento do Zener mostra-nos que, diretamente polarizado (1º quadrante), ele conduz por volta de 0,7 V, como um diodo comum. Porém, na ruptura (3º quadrante), o diodo Zener apresenta um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. A tensão é praticamente constante, aproximadamente igual a Vz em quase toda a região de ruptura. As folhas de dados (data sheet) geralmente especificam o valor de Vz para uma determinada corrente IZT; A utilização do díodo Zener é limitada pelos seguintes parâmetros: Vz – Tensão de Zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT) Izmáx – Corrente de Zener máxima Izmin – Corrente de Zener mínima Pz – Potência de dissipação (PZ = VZ x IZ) Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo Zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído. Algumas especificações do fabricante inclui-se também a corrente máxima que um diodo pode suportar, em função da máxima potência que o mesmo pode suportar.
  • 3. IZMax = PZM / VZ IZMax = máxima corrente de Zener especificada PZM = potência especificada VZ = tensão de Zener 5.1.2 Impedância Zener ZZT Quando um diodo Zener opera na região de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o diodo Zener tem uma pequena resistência, que também é denominada impedância Zener (ZZT), também referenciada à corrente de teste IZT para medir VZ. Assim por exemplo, para um diodo fictício 1NZX45, com as especificações VZT = 12 V; IZT = 20 mA e ZZT = 5 Ω, indica que o diodo Zener tem uma tensão de 12 V e uma resistência de 5 Ω para uma corrente de 20 mA. 5.1.3 Regulação tensão A finalidade de um regulador de tensão é manter uma saída o mais constante possível, mesmo que a corrente varie. Para que isto ocorra devemos fazer a polarização reversa do Zener (veja figura abaixo). Para que ocorra o efeito regulador de tensão é necessário que o diodo Zener funcione dentro da região de ruptura, respeitando as especificações de corrente máxima. Para isso devemos ter uma tensão na fonte maior que a tensão Zener (VS >VZ). Para evitar que o Zener se queime, como qualquer outro dispositivo, devemos sempre colocar um resistor limitador de corrente (RS) antes do diodo Zener.
  • 4. A tensão pelo resistor em série é igual a diferença entre a tensão da fonte e a tensão Zener, V S – VZ. Portanto, a corrente que circula por RS que é a corrente que circula pelo diodo Zener é dada pela fórmula: S Z S S V V I R − = Se eliminarmos a carga no circuito acima, temos o Zener em série com o resistor e com isso teremos IZ = Is. Para entender como funciona a regulação de tensão considere o circuito abaixo: A corrente que circula por RS que é a própria corrente que circula pelo diodo Zener é dada pela fórmula: S Z S S V V I R − = Para entender como funciona a regulação de tensão, suponha que a tensão VE varie para 9V e 12V respectivamente. Devemos então obter o ponto de saturação (interseção vertical), fazendo com que VZ = 0. a) obtenção de q1 (VZ = 0), temos: I = 9/500 = 18mA b) obtenção de q2 (VZ = 0), temos: I = 12/500 = 24mA Para obter o ponto de ruptura (interseção horizontal), fazemos IZ = 0. a) obtenção de q1 (IZ = 0), temos: VZ = 9V b) obtenção de q2 (IZ = 0), temos: VZ = 12V
  • 5. O gráfico então fica com o aspecto a seguir: Analisando o gráfico acima, observa-se que embora a tensão VE varie para 9 V e 12 V respectivamente, haverá mais corrente no diodo Zener implicando nas interseções q1 e q2. Portanto embora a tensão VE tenha variado de 9 a 12 V, a tensão Zener ainda é aproximadamente igual a 6 V. Basta para isso comparar a diferença entre q1 e q2, onde se observa que a tensão de saída permaneceu praticamente constante mesmo que a tensão de entrada tenha variado. Essa é a ideia de regulação de tensão. Algumas referências comuns de alguns Zener´s . ZENER ZENER TENSÃO VOLTS POTÊNCIA WATTS 1N746A BZX79C3V3 3,3 0,5 1N747A BZX79C3V6 3,6 0,5 1N748A BZX79C3V9 3,9 0,5 1N750A BZX79C4V7 4,7 0,5 1N751A BZX79C5V1 5,1 0,5 1N752A BZX79C5V6 5,6 0,5
  • 6. 5.1.4 DIODO ZENER IDEAL (1ª aproximação) E DIODO ZENER REAL ( 2ª aproximação) Na primeira aproximação, podemos considerar a região de ruptura como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tensão de saída será sempre constante, embora ocorra uma grande variação de corrente, o que equivale ignorar a resistência Zener. Isto implica que em um circuito o diodo Zener pode ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna nula. Na segunda aproximação isto não ocorre, pois deve ser levada em consideração a resistência Zener. Isto quer dizer que na região de ruptura a linha é ligeiramente inclinada, isto é, ao variar a corrente, haverá uma variação, embora muito pequena, da tensão de saída. Na segunda aproximação deve ser levada em consideração a resistência Zener (RZ) em série com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistência produzirá uma queda de tensão maior. Retornando ao gráfico anteriormente analisado, teremos então: a) tensão em q1 será: V1 = I1 . RZ + VZ b) tensão em q2 será: V2 = I2 . RZ + VZ A variação da tensão de saída será dada por: V2 - V1 = (I2 - I1).RZ ou ∆VZ = ∆IZRZ Deduz-se então que quanto menor for a resistência Zener, menor será a variação da tensão de saída. 5.1.5 Regulador com carga Antes de qualquer coisa devemos verificar se o diodo Zener esta em funcionamento na região de ruptura. Devido ao resistor de carga, a tensão de Thevenin que alimenta o diodo Zener é menor que a tensão da fonte. Como calcular esta tensão de Thevenin? Simples, no circuito abaixo imagine o diodo Zener retirado do circuito, o divisor de tensão permanece, formado por RS e RL.
  • 7. Com isso podemos calcular a tensão nos pontos do Zener, ou seja, L TH S S L R V V R R = + Para o funcionamento na região de ruptura o diodo Zener, VTH deve ser maior que VZ. Esta é a primeira relação que você deve observar no circuito regulador. Colocando a carga no circuito, podemos facilmente notar que agora temos a corrente de série diferente da corrente que passa pelo diodo Zener (IS ≠ IZ). Devido a isso devemos agora calcular a corrente na carga e a corrente no diodo. Como a resistência Zener tem essencialmente um efeito muito pequeno, podemos numa boa aproximação igualar a tensão de carga a L ZV V= Isto nos permite usar a Lei de Ohm para calcular a corrente que passa pela carga L Z L L L V V I R R = = Como temos duas malhas, podemos usar a lei dos nós e descobrir a valor da corrente que passa pelo diodo Zener S Z L Z S L I I I I I I = + = − Esta é a corrente que passa pelo diodo Zener e ela deve ser sempre menor que o valor máximo permitido pelo diodo Zener (IZmáx).
  • 8. 5.1.6 Ondulação no resistor de carga (VR). Em um retificador com filtro capacitivo podemos colocar um diodo Zener para melhorar o sinal de saída. Este circuito nos dá um sinal muito próximo do ideal, mesmo quando temos algumas variações no sinal de entrada. Idealmente temos que após passar pelo Zener temos nossa tensão de ondulação igual a zero. Infelizmente não conseguimos esse resultado e por isso devemos calcular qual vai ser a tensão de ondulação na saída do circuito. Tomemos uma fonte de alimentação produzindo uma tensão média com certa ondulação (VRin). Como já falado, idealmente a ondulação na saída deve ser igual a zero (VRout=0), mas isso não acontece. Desta maneira podemos calcular a tensão de ondulação de saída do Zener da seguinte maneira: Z Rout Rin S Z R V V R R = + Esta equação fornece um valor aproximadamente preciso da tensão de ondulação de pico a pico. 5.2 LED O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível por isso LED (Diodo Emissor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela, aplicação de uma fonte elétricas de energia, é chamado eletroluminescência. A luz emitida não é monocromática, mas a banda colorida é relativamente estreita. A cor, portanto, dependente do cristal e da impureza de dopagem com que o componente é fabricado. O led que utiliza o arseneto de gálio emite radiações infravermelhas. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser vermelha ou amarela, de acordo com a concentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ou amarela. Hoje em dia, com o uso de outros materiais, consegue-se fabricar led´s que emitem luz azul, violeta e até ultravioleta. Existem também os led´s brancos, mas esses são geralmente led´s emissores de cor azul, revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas lâmpadas fluorescentes, que absorve a luz azul e emite a luz branca. Com o barateamento do preço, seu alto rendimento e sua grande durabilidade, esses led´s tornam-se ótimos substitutos para as lâmpadas comuns, e devem substituí-las a médio ou longo prazo. Existem
  • 9. também os led´s brancos chamados RGB (mais caros), e que são formados por três "chips", um vermelho (R de red), um verde (G de green) e um azul (B de blue). Uma variação dos led´s RGB são led´s com um microcontrolador integrado, o que permite que se obtenha um verdadeiro show de luzes utilizando apenas um led. Em geral, os led´s operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3 V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. Assim, os led´s infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5 V, os vermelhos com 1,7 V, os amarelos com 1,7 V ou 2.0 V, os verdes entre 2.0 V e 3.0 V, enquanto os led´s azuis, violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3 V. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil entorno de 100.000 horas. Como o led é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização direta é semelhante à de um diodo semicondutor. Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota um "código" de identificação para a determinação externa dos terminais A (anodo) e K (catodo) dos led´s. Nos led´s redondos, duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K como sendo aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro ("corpo"), ou por ser o terminal mais curto dos dois. Existem fabricantes que adotam simultaneamente as duas formas de identificação. Nos led´s retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um pequeno "alargamento" do terminal junto à base do componente, ou então deixam esse terminal mais curto. Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays alfa- numéricos. Geralmente, os led´s são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca. Como o diodo, o LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais, uma vez que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. Assim, o uso de um resistor limitador em série com o Led é comum nos circuitos que o utilizam. Para calcular o valor do resistor usa-se a seguinte fórmula:
  • 10. S LED LED V V R I − = onde VS é a tensão disponível, VLED é a tensão correta para o LED em questão e ILED é a corrente que ele pode suportar com segurança. Tipicamente, os Led´s grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA e os pequenos (com aproximadamente 3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor. Os Led´s não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo, podendo-se danificá-los com apenas 5 V de tensão nesse sentido. Por isso, quando alimentado por tensão C.A., o LED costuma ser acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo (polaridade invertida em relação ao LED), com a finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - o LED - fica no corte, limitando essa tensão reversa em torno de 0,7 V (tensão direta máxima do diodo), um valor suficientemente baixo para que sua junção não se danifique. Pode-se adotar também uma ligação em série entre o diodo de proteção e o LED.