DIODO DE JUNÇÃO PN 19

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1 II - DIODO DE JUNÇÃO PN É um dispositivo semicondutor unidirecional, constituído de duas regiões dopadas interligadas, originando uma junção PN. Os diodos de junção são aplicados em conversores retificadores C.A./C.C., conversores inversores C.C. /C.A., reguladores, controle automático de freqüência, controle de temperatura, acoplamento e bloqueio de sinais, emissores de luz (LED), receptores de luz (fotos sensores), chave de comutação, oscilador em alta freqüência (micro-ondas), supressor de transientes, etc. 2.1 CURVA DE UM DIODO DE JUNÇÃO A) Tensão de joelho É a tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente; esta tensão equivale ao potencial da barreira. Tem como característica: Região não-linear < 0,7V Região linear 0,7V B) Tensão de ruptura: É a tensão máxima com polarização inversa, em que o diodo é seguido BREAKOVER Voltage). de um aumento de corrente (VBR C) Diodo ideal Age como um condutor perfeito (VD= 0V), quando polarizado diretamente e como um excelente isolante (IOR = 0A), quando polarizado inversamente. D) Diodo real com segunda aproximação: Com uma polarização direta inicial, não flui nenhuma corrente até que a tensão sobre os terminais do diodo atinja 0,7V, independente da corrente que circula. Com polarização inversa funciona como chave aberta. DIODO DE JUNÇÃO PN 19

2 E) Diodo real com terceira aproximação: É incluído uma resistência de corpo (r B), em série com Uma fonte V de 0,7V. Como o valor de r B é linear, Quanto maior a corrente, maior será a tensão nos terminais do diodo. 2.2 POLARIZAÇÃO DE UM DIODO DE JUNÇÃO A) Junção PN não Polarizada Em uma junção PN, sem um nível de tensão externa aplicada, não pode haver circulação de corrente, porém pequenas correntes circulam na junção. Uma das correntes é constituída pelo movimento de alguns elétrons livres do material N para o material P e algumas lacunas da região P para a região N, que conseguiram absorver energia suficiente para ultrapassar a barreira de depleção. Uma outra parcela de corrente, resulta da ruptura de ligações covalentes por AGITAÇÃO TÉRMICA. A corrente resultante destas circulações denomina-se: CORRENTE DE FUGA (Io) Io = I MAJ + I CB Io = Corrente de fuga interna ao semicondutor, passando pela junção. I MAJ = Parcela de corrente interna ao semicondutor, gerado pelos portadores majoritários. I CB = Parcela de corrente interna ao semicondutor, gerado por agitação térmica na quebra de ligações covalentes. ( Covalente-Band - aglutinante covalente). B) Junção PN Com Polarização Inversa: Os elétrons do material N são atraídos pelo terminal (+) e as lacunas pelo terminal (-). Uma corrente estabelece, porém, o fornecimento não é contínuo, devido aos poucos elétrons livres e lacunas no interior do material. Os elétrons que saem da região N, deixam mais íons positivos próximo à junção; e as lacunas que se afastam da região P, deixam mais íons negativos. Com o aumento de íons negativos e positivos ocorre também um aumento na Barreira de Potencial. Esta barreira torna-se maior até que sua diferença de potencial se iguale à tensão da fonte. Corrente de Fuga Em Estado de Saturação (Io S1): É uma parcela da corrente de fuga reversa, que circula pelo interior do semicondutor, produzida pelos portadores minoritários que são criados pela energia térmica. Esta corrente de fuga saturada só pode ser aumentada com o aumento de temperatura. A corrente Io S1, tem o seu valor aproximadamente dobrado para cada aumento de 10 o C na temperatura ambiente. Exemplo: Um diodo de silício tem uma Io S1 de 10 na a 25 o C, caso sua temperatura de trabalho atinja 45 o, a sua corrente Io S1 atinge 40 na. DIODO DE JUNÇÃO PN 20

3 Corrente De Fuga Superficial (Io S2): É uma parcela da corrente de fuga reversa, que circula pela superfície do semicondutor, produzida pelos portadores de corrente criados por impureza da superfície, que criam trajetos ôhmicos para circulação desta corrente. A Io S2, tem o seu valor extremamente pequeno. Corrente De Fuga Reversa (Io R): É a corrente que circula pelo semicondutor, quando polarizado reversamente, é a soma das correntes Io S1 e Io S2. Esta intensidade de corrente pode ser alterada, variando a temperatura do corpo do diodo ou da tensão reversa aplicada sobre seus terminais. Exemplo: O diodo trivial 1N914, tem uma corrente reversa de 25nA para uma tensão reversa de 20V e uma temperatura ambiente de 25 o C. Io R = Io S1 + Io S2 C) Junção PN Com Polarização Direta: Os elétrons livres na região N, são repelidos pelo terminal negativo (-) e são forçados para a junção, onde eles irão neutralizar os átomos doadores (íons positivos) na camada de depleção. A medida que os elétrons encontram as lacunas, eles se tornam elétrons de valência e através das lacunas caminham para a extremidade da região P. Atingindo a extremidade, os elétrons de valência abandonam o cristal e escoam para o terminal positivo. No gráfico das bandas de energia, podemos observar que os elétrons livres ao atravessar a junção e entrar na região P da banda de valência descem de um nível mais alto de energia para um outro mais baixo. À medida que descem irradiam energia na forma de calor e luz. Os diodos comuns são feitos de silício ou germânio e revestidos de um material opaco que bloqueia a passagem da luz; toda energia irradiada é dissipada em forma de calor. Para que um diodo conduza a corrente elétrica, é necessário que haja uma QUEBRA NA BARREIRA DE POTENCIAL. (Elétrons da banda de condução da região N atingem as lacunas da banda de valência da região P). Si 0,6V a 0,7V Ge 0,3V a 0,4V 2.3 ANÁLISE DO DIODO DE JUNÇÃO EM CIRCUITOS ELÉTRICOS A) ANÁLISE EM CIRCUITO DE C.C. Aplicando KIRCHHOFF na malha dada: V= VD + VRL Substituição VRL = IDRL, temos: V = VD + IDRL e VD = V - IDRL A equação apresenta duas variáveis dependentes (VD e ID) e dois valores constantes (V e RL). Como são necessárias no mínimo, duas equações para determinar duas variáveis dependentes desconhecidas; a segunda equação é fornecida pela característica do elemento diodo, isto é: ID = f(vd) Rescrevendo a equação: VD = V IDRL ID = 1 VD + V. RL RL y = m x + b Equação de uma reta DIODO DE JUNÇÃO PN 21

4 Podemos observar na equação e no gráfico da linha de carga, que a inclinação da reta de carga é negativa, (o valor de ID diminui com o aumento de VD). 1) Cálculo do ponto superior da reta de carga, adota-se VD = 0, logo: 1 V 20V ID VD 0 10mA RL RL 2K 2) Cálculo do ponto inferior da reta de carga, adota-se ID = 0, logo: 1 V V 1 V 0 VD VD VD RL RL RL RL RL RL VD = V = 20V 3) Cálculo do ponto quiescente de trabalho (Q): 1 V 1 IQ VD IQ = 1V 10mA 9, 5mA RL RL 2K Quando não se dispõe da curva do diodo, adota-se para cálculo aproximado da corrente direta de trabalho: IDQ = V - 0,7 RL 0,7 V para diodos de silício 0,3 V para diodos de germânio RESISTÊNCIA ESTÁTICA É a resistência ôhmica apresentada pelo corpo do diodo no ponto quiescente quando o mesmo opera em C.C.; também conhecido como resistência DC. RDC = VD RDC = 1V = 105,3 ID 9,5 X 10-3 A Para a região de polarização inversa de um diodo semicondutor com VD = -20V, apresenta uma corrente inversa (IOR) de 1A, logo: RDC = 20 = 20 M >> 105,3 1A Uma vez determinada a resistência estática, o diodo pode ser substituído por um resistor com este valor. Qualquer mudança na tensão aplicada ou na resistência de carga, entretanto, resultará em um ponto quiescente diferente e, portanto, uma resistência DC diferente. B) ANÁLISE EM CIRCUITO DE CA DIODO DE JUNÇÃO PN 22

5 Considerando que o circuito, tem como fonte de entrada, um sinal senoidal com um nível C.C. Como o nível C.C. é muito maior do que o sinal senoidal em qualquer instante, o diodo estará sempre diretamente polarizado e existirá continuamente uma corrente no circuito. Conforme gráfico da reta de carga, é mostrado a resultante da entrada C.C. de 20V e também o efeito do sinal C.A.. Note que foram traçadas duas linhas de cargas adicionais nos picos positivo e negativo do sinal de entrada. No instante em que o sinal senoidal está no valor de pico positivo a entrada poderia ser substituída por uma bateria C.C. de 22V e a linha de carga resultante traçada conforme mostrado no gráfico. Para o pico negativo, VCC = 18V. RESISTÊNCIA DINÂMICA: É a resistência ôhmica resultante, apresentada pelo corpo do diodo quando circula por ele uma componente alternada. Para cálculo da resistência dinâmica ou resistência CA de um diodo, é necessário conhecer a variação de tensão e corrente no diodo. Usando o gráfico de linha de carga, determinamos ID e VD, traçando uma linha reta tangente à curva no ponto quiescente. A linha tangente deve aproximar o mais possível as características na região de interesse, conforme mostrado. rd Vd rd 0,01V = 5 Id linha tangente 2 x 10-3 A Note que ID depende exponencialmente de V, o que resulta em um aumento bastante rápido quando V cresce. As características de um diodo de silício (Si) de uso comercial são levemente diferentes das características mostrada no gráfico abaixo. Isto se deve à resistência da massa, ou volume, do material semicondutor e à resistência de contato entre o material semicondutor e o condutor metálico externo. Elas provocarão um pequeno desvio da curva na região de polarização direta, conforme indica a linha tracejada do gráfico. Através da física do estado sólido pode-se demonstrar que a corrente do diodo está matematicamente relacionada à temperatura absoluta (T) e à polarização aplicada (V) da seguinte maneira: DIODO DE JUNÇÃO PN 23

6 Nem sempre nos dispomos da curva do diodo, para que possamos determinar sua resistência dinâmica. Um outro processo é utilizando o Cálculo Diferencial que estabelece que a derivada de uma função é igual à inclinação da linha tangente traçada naquele ponto. Is = corrente de saturação inversa T T C T temperatura absoluta da junção( Kelvin) e T C graus Celsius q = q carga do elétron (1,6 x C) k constante de Boltzmann (1,38 x ) k constante empírica, 1 para Ge e 2 para Si q (Si) = = C k 2 T = T C = = 298º K q V 0,5V C 9,732 Para V = VD = 0,5V e TC 25 C 0 k T 298 K I = Is (e 9,732-1) = ( 1 x 10-6 ) ( ) = (16,85 x 10-3 A) Is = 1,0A (corrente inversa no diodo de silício à 100C) Is = 0,1mA (corrente inversa no diodo de germânio à 100C) Tomando a derivada da equação de SCHOCKLEY: I Ise qv kt 1 di dv q I Is k T Sendo I 16,85mA >> que Is = 1,0 A, adota-se n = 1 para Ge e Si, na região mais vertical da curva característica. Portanto, com a temperatura ambiente: T = 298º Kelvin q = = = C di = x I 38,93 x I k 1 dv 298 Efetuando o arredondamento e fazendo I = ID, temos: dv = 1 0,0257 r'd = 0,0257V r'd = 26mV di 38,93 x I I ID IDmA A equação acima implica que a resistência dinâmica pode ser determinada simplesmente substituindo o valor quiescente da corrente do diodo na equação. Não há necessidade de se ter as características ou se preocupar em traçar linhas tangentes, conforme foi definido. Já foi observado no gráfico de características do diodo semicondutor, que as características de uma unidade comercial são levemente diferentes daquelas determinadas pelas equações, por causa da massa e da resistência de contato do dispositivo semicondutor. Este nível de resistência adicional deve ser incluído na equação, acrescentando-se um fator denominado rb. O fator rb (medido em ohms) para diodos de uso geral pode variar tipicamente de 0,1 para dispositivos de alta potência até 2 para alguns dispositivos de baixa potência. Adota-se para cálculos: ID 1000mA rb = 2 ID > 1000mA rb = 0,1 r'd = 26mV + rb ID(mA) DIODO DE JUNÇÃO PN 24

7 Para o exemplo dado anteriormente, onde o valor determinado graficamente é rd = 5, se escolhermos rb = 2, então: r'd = 26mV + 2 = 4,65 9,8mA Com a evolução das técnicas de construção, este fator adicional tem assumido importância cada vez menor, podendo ser eliminado. A equação padronizada pela maioria dos livros técnicos, para cálculo da resistência dinâmica, e que será utilizado em nossos estudos é: 25mV r' d = ID 2.4 CIRCUITOS COM DIODOS DE JUNÇÃO Multiplicadores De Tensão Diodos e capacitores podem ser associados às linhas de alimentação de modo a aumentar a tensão de saída C.C. para um valor maior que aquele obtido por retificação. A montagem dos multiplicadores é feito por dois ou mais retificadores de pico que produzem uma tensão contínua igual a um múltiplo de tensão de pico de entrada (2V P, 3V P, 4V P, etc...) Os multiplicadores de tensão são aplicados nos dispositivos de ALTA TENSÃO e BAIXA CORRENTE, como exemplo citamos os tubos de raios catódicos (TV, Osciloscópios e telas de computadores). A) Dobrador de tensão em Meia-Onda rd resistência dinâmica calculada pela tangente à curva do diodo. r'd resistência dinâmica calculada pela fórmula da derivada da equação de SHOCLEY. No semiciclo negativo (-), o diodo D1 está polarizado diretamente e D2 reversamente, esta condição carrega C1 até a tensão pico (V P). No semiciclo positivo (+), diodo D1 fica polarizado reversamente e D2 diretamente, nesta condição, o diodo D2 transfere a carga C1 (V P) acrescido de V P da fonte, para os terminais do capacitor C2. A freqüência de oscilação do sinal armazenados no capacitor C2 tem o mesmo valor da freqüência do sinal de entrada (Fo = Fent). Cada diodo ficará submetido a uma tensão inversa de pico (PIV) de 2V P. O capacitor C1 ficará submetido a uma tensão de 1V P, enquanto que C2 ficará submetido a uma tensão de 2 V P. B) Dobrador de tensão em Onda Completa No semiciclo positivo D1 conduz carregando o capacitor C1 com V P e D2 permanece em corte. No semiciclo negativo D2 conduz carregando o capacitor C2 com V P e D1 permanece em corte. Nesta condição tem-se, nas extremidades dos capacitores seriais, o potencial de 2V P, com uma freqüência de oscilação (Fo) de 2Fent. Cada diodo ficará submetido a uma tensão inversa de pico (PIV) de 2V P. C) Triplicador de tensão É um dobrador de tensão acrescido de mais um retificador de pico. No primeiro semiciclo negativo, D1 entra em estado de condução carregando C1 com V P. No segundo semiciclo, positivo, o diodo D1 entra em estado de corte e D2 em estado de condução, transferindo a carga de C1(V P) acrescido de V P da fonte, para os terminais do capacitor C2. Estando C2 carregado com 2V P, no segundo semiciclo negativo os diodos D1 e D3 entra em estado de condução transferindo a carga C2 para o capacitor C3. Nesta condição temos nas extremidades dos capacitores seriais (C1 em série com C3) um potencial de 3V P com uma freqüência de oscilação (Fo) de Fent. Cada diodo ficará submetido a uma tensão inversa de pico (PIV) de 2V P. Podemos observar na configuração do triplicador de tensão que para cada acréscimo de um retificador de pico, aumentamos um V P na tensão de saída. DIODO DE JUNÇÃO PN 25

8 2.4.2 Limitadores (CLIPPERS) Ou Ceifadores Os circuitos limitadores, tem como função retirar parte do sinal aplicado à entrada, acima ou abaixo de um dado nível, como exemplo podemos citar o Amplificador Limitador, que tem como característica limitar o valor instantâneo de sua saída dentro de um máximo pré-determinado. Podem, também, serem utilizados para alterar a forma do sinal de entrada ou proteger os circuitos que recebem um dado sinal. São classificados em limitadores positivos, negativos ou positivos e negativos. A) Limitador positivo B) Limitador negativo: No limitador positivo, o diodo D1 ceifa o semiciclo positivo e deixa para os terminais da carga apenas os semiciclos negativos. O corte do semiciclo positivo não é feito exatamente em zero volts, devido a barreira de potencial do diodo de junção, para o exemplo 0,7V. Para manter o limitador como uma fonte de tensão estabilizada, adotase o resistor série RS, cem vezes menor que a carga (RL) conectada. RS = RL 100 No limitador negativo, o diodo D1 ceifa o semiciclo negativo e deixa para os terminais da carga apenas os semiciclos positivos. RS = RL 100 C) Limitador negativo polarizado: Para o limitador polarizado, podemos deslocar o ponto de corte para (V + 0,7V), como o limitador corta no semiciclo negativo, a tensão de corte é dado por -(V + 0,7V). Quando a tensão sobre os terminais da carga atingir -(V + 0,7V), o diodo conduzirá e a saída será mantida em -(V + 0,7V). Para tensões inferiores a -(V + 0,7V), o diodo deixará de conduzir e o circuito se transforma em um divisor de tensão. D) Limitador positivo e negativo polarizado por fonte ativa e passiva: A associação de limitadores nos permite criar formas de ondas na saída, que se assemelhará a uma onda quadrada, podendo ser simétrica ou assimétrica. O princípio de funcionamento é o mesmo definido nos subitens B e C. As fontes V1 e V2 podem ser substituídas, acrescentando mais diodos de silício, sendo que cada diodo acrescentado produzirá uma compensação de 0,7V. DIODO DE JUNÇÃO PN 26

9 E) Limitador positivo e negativo polarizado por fonte ativa : A associação de limitadores nos permite criar formas de ondas na saída, que se assemelhará a uma onda quadrada, podendo ser simétrica ou assimétrica. O princípio de funcionamento é o mesmo definido nos subitens B e C. As fontes V1 e V2 podem ser substituídas, acrescentando mais diodos de silício, sendo que cada diodo acrescentado VC= nºdiodos x 0,7V VC= 4 x 0,7V = 2,8V produzirá uma compensação de 0,7V. Para o limitador polarizado com diodos, o nível de supressão (ponto de corte) é: Grampeador C.C. (CLAMPERS) O grampeador C.C., também conhecido como estabilizador de linha de fase ou restaurador C.C., tem como função somar uma tensão C.C. ao sinal de entrada. Este tipo de circuito é utilizado em TV para somar uma tensão contínua ao sinal de vídeo (restaurador de vídeo). Como exemplo, citamos um sinal senoidal variando de +5V a -5V, para o grampeador positivo sua saída idealmente oscila de 0 a +10V e para o grampeador negativo sua saída idealmente oscila de 0 a -10V. A) Grampeador positivo: No primeiro semiciclo negativo, o diodo D1 entra em estado de condução e carrega o capacitor C1 com a tensão de pico da entrada (V P). No semiciclo positivo o diodo D1 é polarizado reversamente (corte) e a tensão que aparece sobre os terminais da carga será a soma da tensão de pico armazenada em C1 com a tensão de pico positivo da fonte geradora de C.A. Na primeira aproximação, considerando a resistência dinâmica do diodo de junção (RFD = 0), temos na carga: Numa segunda aproximação, considerando a resistência dinâmica que aparecerá sobre os terminais do diodo (RFD 0), a queda de tensão de 0,7V (silício) sobre o mesmo, temos nos terminais da carga: V RL = 2V P V RL = 2V P - 0,7V B) Grampeador negativo O grampeador negativo tem o mesmo princípio do grampeador positivo, o que o diferencia é a polaridade da tensão sobre os terminais da carga Detector De Pico V RL = - (2V P - 0,7V) Formado por grampeadores C.C., ligados em cascata. A senoide de entrada é grampeada positivamente, portanto, na saída do detector tem um valor de pico de 2V P. Como regra de projetos, para que o detector obtenha um bom desempenho, a constante de tempo RLC deve ser muito maior que o período do sinal de entrada: RLC >> 1. F ent DIODO DE JUNÇÃO PN 27

10 Sua maior aplicação é nos voltímetros de corrente contínua, quando se deseja medir tensões senoidais assimétricas. No exemplo ao lado, se utilizarmos um voltímetro C.A. teremos uma leitura incoerente, uma vez que, os instrumentos de medição C.A. medem valores eficazes (RMS) de ondas senoidais simétricas. Utilizando um voltímetro C.C., acrescentado de um detector de pico, teremos uma leitura do valor real do sinal medido de pico a pico. 2.5 DIODOS EMISSORES DE LUZ Quando um diodo é percorrido por uma corrente no sentido direto, a recombinação dos portadores de carga na junção é acompanhada de um fenômeno: parte da energia envolvida no processo é emitida na forma de ondas eletromagnéticas. Estas ondas eletromagnéticas têm freqüência e comprimento que dependem do material empregado na construção do dispositivo. Para os diodos comuns de silício, a emissão ocorre em pequena escala na região dos raios infravermelhos. Os diodos emissores de luz tem a capacidade de emitir luz no espectro visível; isto ocorre quando o mesmo é polarizado diretamente, fazendo com que seus elétrons livres atravessem a junção e combinem com as lacunas. Os primeiros diodos emissores de luz foram feitos utilizando Fosfeto-Arseneto de Gálio e emitiam luz vermelha, recebendo o nome de Light Emitting Diodo - diodo emissor de luz - que abreviando, em inglês, resultou na sigla LED. O diodo LED é fabricado para emissão de luz com comprimento de onda que varia de 5500 Å(Angstrons) a 9100 Å. O comprimento da onda da luz emitida depende dos elementos semicondutores aplicados, sendo que a cor da luz irradiada pelo Led depende do comprimento da onda, que depende da quantidade de fósforo (GaAsP). DIODO DE JUNÇÃO PN 28

11 A tensão de alimentação dos diodos emissores, está relacionado com a queda de tensão em seus terminais, quando circula um corrente através de sua junção. A queda de tensão dos diodos emissores é a tensão capaz de vencer a barreira de potencial existente na junção quando polarizado diretamente. Os diodos Led s tem uma queda de tensão típica que varia de 1,4V a 3,0V, e esta variação depende da cor e da corrente que circula por ele (ver tabela). MATERIAL COR MAX VD (V) ID (ma) GaP GaAsP GaAsP GaAsP GaAs Verde Amarelo Laranja Vermelho Infravermelho 5600 Å 5900 Å 6100 Å 6600 Å 9100 Å 3,0 3,0 2,0 1,6 1, Os diodos emissores suportam correntes diretas de no máximo 100mA e uma mínima corrente direta com uma emissão de luz estável de 10mA. Sua tensão direta (VD) de trabalho, é especificada em função de uma corrente direta (ID) de trabalho. GaP Fosfato de Gálio GaAs Arseneto de Gálio GaAsP Fosfeto de Arseneto de Gálio Aplicações : Os diodos emissores de luz substituem as lâmpadas incandescentes e tem várias aplicações, devido à baixa tensão de alimentação, longa vida, baixo consumo e rápido chaveamento. Vida útil da lâmpada incandescente 500 horas Vida útil da lâmpada néon 1000 horas Vida útil do diodo emissor de luz, sua vida útil é reduzida quando se trabalha com uma corrente superior à corrente nominal (20mA). Tem um tempo de resposta 10 6 vezes mais rápido que a lâmpada incandescente. Sua maior aplicação é como lâmpadas indicadoras, displays alfanuméricos e componentes optoacopladores. DIODO DE JUNÇÃO PN 29

12 Cálculo De Circuitos Com LED 1) Resistor limitador (RS): VF - Tensão da fonte em volts VD - Queda de tensão no diodo (depende da cor do Led a ser aplicado). IF - Corrente direta que se deseja circular pelo Led ( o valor da corrente deve estar entre a mínima de 10mA e a máxima de 100mA).Idealmente que a corrente direta assuma o valor da corrente nominal 20mA. Para o exemplo, utilizando os valores típicos da corrente e de VD, calcular o resistor RS para um Led vermelho : RS = 12V - 1,6V = 520 VPM = mA Usando o mesmo exemplo, calcular o resistor limitador para que a corrente do diodo seja de 40mA. RS = 12V - 1,6V = mA VPM = 270 Para os dois casos, os resistores calculados são indisponíveis comercialmente; por isso, adotam-se os resistores padronizados mais próximos do calculado (510 e 270). Para o caso de ligarmos Led s em série, conforme figura, podemos usar a seguinte fórmula: RS = 12V - (3,0V + 2,0V + 1,4V) = mA VPM = 270 2) Potência de dissipação (PD) VPM - Valor Padrão de Mercado Sabemos que a potência dissipada pelo componente, não é totalmente convertida em luz, já que o rendimento do dispositivo não é 100%, entretanto, para efeito de cálculo adota-se: IF = 12V - 1,6V = 20,4mA 510 Para o exemplo anterior, substituindo o resistor calculado pelo resistor padrão. PD = VD x IF PD = 1,6V x 20,4mA = 32,64Mw 2.6 APLICAÇÃO DE DIODOS DE JUNÇÃO Para que possamos exemplificar, circuitos utilizando os diodos de junção, faremos um breve estudo de um dispositivo eletromagnético, que tem uma grande aplicação em circuitos eletrônicos RELÉ ELETROMAGNÉTICO Dispositivo eletromagnético com acionamento mecânico de contatos, constituído de uma armadura fixa, uma armadura móvel e um núcleo de aço - doce. O relê eletromagnético, pode ser definido como uma "Chave operada eletricamente", tem em sua armadura fixa, uma bobina enrolada sobre um núcleo de aço-doce magnético. Quando a corrente flui na bobina, o núcleo torna-se imantado (apresentando características de um imã) e atrai a armadura móvel de aço. Com o deslocamento da armadura móvel, temos o fechamento de contatos elétricos ( NA normalmente aberto ) e a abertura dos contatos elétricos ( NF normalmente fechados ).Quando a corrente não flui pelas espiras da bobina, uma mola responsável pela força antagônica da armadura móvel, faz com que a mesma retorne a posição de repouso (dezenergizada). Aplicação de sistemas com relês eletromagnéticos apresentam como vantagens : Amplificador de comando de corrente com uma pequena corrente de comando da bobina, os seus contatos podem comandar uma grande corrente de carga; Isolador de circuitos Pode isolar um circuito de comando em baixa tensão (exemplo 6VCC) de um circuito de carga em alta tensão (exemplo 127 VCA); Receptor de controle - remoto O relê pode estar comandando uma carga, que tem o seu comando a uma longa distancia, este sinal de comando pode vir por pares de fio, uma vês que a corrente de comando é muito pequena ou pode vir por um sinal radio freqüência "RF", para este comando devemos instalar uma placa de recepção de sinais de "RF", com o circuito de comando DIODO DE JUNÇÃO PN 30

13 Os relês eletromagnéticos podem ser classificados como : ( ver figuras ) Relê tipo batente; telefone; com travamento mecânico; com chave múltipla seqüencial; diferencial. DIODO DE JUNÇÃO PN 31

14 Os relês eletromagnéticos podem ser simbolicamente representados : ( ver tabela ) SEQUÊNCIAL DE TRÊS DIGITOS COM MEMORIZAÇÃO ELETROMECÂNICA O circuito eletrônico "Seqüencial de três dígitos com memorização eletromecânica", tem sua aplicação indicada para operar cargas, que tem sua operação restrita á determinados operadores. Exemplo : Fechadura elétrica de portas; Motor de portão elétrico; Circuito de partida de motores automotivos; O circuito foi projetado para operar com três algarismos, e aceita alteração da senha "684" ou um acréscimo de algarismos. A tensão de alimentação do circuito de controle, esta ligado diretamente á tensão nominal das bobinas dos relês aplicados, o mercado disponibiliza relês com bobinas de tensões nominais de 6V, 9V, 12V, 16V, 24V e 48V em corrente contínua. Para que possamos ligar a carga, devemos montar uma seqüência operativa: A) Usando o teclado de acionamento, acionamos a tecla de nº 6, que levará um potencial positivo ao terminal superior da bobina do relê "RL1" e estando o terminal inferior com um potencial negativo via resistor "R1", aparece nos terminais do relê uma diferença de potencial, que, gera uma corrente elétrica que circula pelas espiras da bobina. Com a circulação da corrente pelas espiras da bobina, origina um campo eletromagnético, que, magnetiza o núcleo de aço-doce, criando um eletroímã. A força eletromagnética do núcleo atrai a armadura móvel do relê, fazendo com que seu contato "NA" torne-se "fechado". Com o fechamento do contato, acontece uma realimentação do terminal superior da bobina com " + VCC", memorizando o comando de operação do mesmo (selamento da bobina). Estando o terminal superior da bobina "RL1" com "+VCC", isto permite que o operador possa dar seqüência na operação. B) Usando o teclado de acionamento, acionamos a tecla nº 8, que levará um potencial positivo ao terminal superior da bobina do relê "RL2" e estando o terminal inferior com um potencial negativo, aparece nos terminais do relê uma diferença de potencial, que, gera uma corrente elétrica que circula pelas espiras da bobina. Com a circulação da corrente pelas espiras da bobina, origina um campo eletromagnético, que, magnetiza o núcleo de aço-doce, criando um eletroímã. A força eletromagnética do núcleo atrai a armadura móvel do relê, fazendo com que seu contato "NA" torne-se "fechado". Com o fechamento do contato, acontece uma realimentação do terminal superior da bobina com " + VCC", memorizando o comando de operação do mesmo (selamento da bobina). Estando o terminal superior da bobina "RL2" com "+VCC", isto permite que o operador possa dar seqüência na operação. C) Usando o teclado de acionamento, acionamos a tecla nº 4, que levará um potencial positivo ao terminal superior da bobina do relê "RL3" e estando o terminal inferior com um potencial negativo, aparece nos terminais do relê uma diferença de potencial, que, gera uma corrente elétrica que circula pelas espiras da bobina. Com a circulação da corrente pelas espiras da bobina, origina um campo eletromagnético, que, magnetiza o núcleo de aço-doce, criando um eletroímã. A força eletromagnética do núcleo atrai a armadura móvel do relê, fazendo com que seu contato "NA" torne-se "fechado". Com o fechamento do contato, acontece uma realimentação do terminal superior da bobina com " + VCC", memorizando o comando de operação do mesmo (selamento da bobina). O relê RL3 tem disponível dois contatos normalmente abertos "NA", um opera em C.C., efetuando o selamento do relê e o outro contato é utilizado em C.A. para energizar a carga. DIODO DE JUNÇÃO PN 32

15 D) Em caso de operação errada, teclas diferente de X6, X8 e X4, temos operação do relê "RL4", com memorização do "Erro". Neste caso dos os relês de comando são desligados e bloqueados sua operação, com sinalização do led vermelho e sinalização sonora (energização da sirene). E) Para resetar o circuito, acionamos simultaneamente as teclas " X e X ". X1 A X9 Contatos normalmente abertos do tipo Push-boton do teclado de acesso X e X Contatos normalmente fechados do tipo Push-boton do teclado de acesso RL1, RL2, RL3 e RL4 Chaves operadas eletricamente; D1 Diodo trivial de silício, que opera como proteção contra inversão de polaridade da fonte de alimentação do circuito; D2 Diodo trivial de silício, que opera como acoplador de sinais "positivos", provenientes das teclas de "ERRO", que, tem a função de energizar o relê "RL4" e desacoplar sinal "positivo", provenientes da energização do relê RL1. D3 Diodo trivial de silício, que opera como acoplador de sinais "positivos", provenientes do fechamento do contato do relê "RL4", que, tem a função de manter energizado o relê "RL4" (memorização selamento operativo do relê "RL4" e desacoplar sinal "positivo", provenientes do fechamento dos contatos de "Erro". D4 e D5 Diodo LED que sinaliza operação correta (energização da carga) e operação incorreta e bloqueio do circuito de controle. R1 Resistor divisor de tensão do relê "RL1", que, tem a função de criar uma d.d.p. no instante de acoplamento de sinal positivo proveniente do diodo D2, evitando um curto-circuito da fonte de alimentação. R2 e R3 Resistor limitador de corrente nos diodos LEDs, aproximadamente 20 ma. SIRENE Sinalização sonora de operação incorreta e bloqueio do circuito de controle. 2.7 DIODO ZENER É um diodo que trabalha melhor na região de ruptura e é um dos componentes de maior importância dos reguladores de tensão; circuitos que mantém a tensão na carga praticamente constante, apesar das grandes variações na tensão de linha e de carga. DIODO DE JUNÇÃO PN 33

16 Podem funcionar em três regiões: A) Região direta Na região direta ele começa a conduzir 0,7V, como um diodo de silício comum e estabelece uma corrente direta (IF) pelo diodo. B) Região de fuga Polarizado inversamente, entre zero e a ruptura, ele apresenta apenas uma pequena corrente de fuga ( IOR - corrente de fuga reversa). C) Região de ruptura Polarizado inversamente, ao atingir a tensão de ruptura (VZ), é seguido de um aumento de corrente praticamente na vertical com o eixo x; (ver reta de carga). D) Reta de carga VZ tensão zener é o ponto que o diodo sai da região de fuga e entra na região de ruptura. A tensão zener é especificada em função de uma corrente de teste (IZt) e uma corrente máxima permitida (IZ MAX). Para levantamento da reta de carga, definir os valores mínimos e máximos de tensão de fonte e a tensão zener na reta horizontal do gráfico. Adota-se VE < VZ, a corrente zener igual a zero e calcula-se a interseção vertical, considerando VZ = 0. DIODO DE JUNÇÃO PN 34

17 Para VE = 20V: Para VE = 30V: IZ = VE - VZ RS IZ = VE - VZ RS IZ = 20V - 0 = 20mA 1K IZ = 30V - 0 = 30mA 1K Obtemos a linha de carga superior com um ponto de interseção dada por Q1. A tensão através do diodo zener será ligeiramente maior que a tensão do joelho na ruptura, porque a curva I(V) inclina-se suavemente. Ponto quiescente Q1: IZQ = VEQ -VZQ IZQ = 20V- 12V = 8mA RS 1K Ponto quiescente Q2: IZQ = VEQ - VZQ IZQ = 30V 12V = 18mA RS IK Comparando os pontos quiescente Q1 e Q2, veremos que há mais corrente através do diodo zener no ponto Q2, mas aproximadamente a mesma tensão zener. E) Potência máxima zener (PZ MAX ): É a máxima potência de dissipação, especificado pelo fabricante. PZ MÁX = VZ x IZ MÁX PZ MÁX = Potência especificada (máxima) VZ = Tensão zener IZ MÁX = Máxima corrente zener especificada F) Corrente mínima do zener (IZ MIN): É a mínima corrente que deve circular pela junção do diodo para que o mesmo opere como regulador de tensão. Como regra de projetos, este valor deverá estar entre 5% a 10% da corrente máxima permitida pelo zener. G) Resistência zener (Rzt): É a resistência ou impedância zener de especificação, para uma corrente de teste (I ZT) e uma tensão zener de teste (V ZT) Como exemplo, especificaremos o diodo zener 1N3020 V ZT = 10V I ZT = 25mA R ZT = 7 Neste exemplo, o diodo zener tem uma tensão de 10V e uma resistência de 7 quando a corrente zener for 25mA Diodo Zener Como Regulador De Tensão É chamado de regulador de tensão porque mantém uma tensão de saída constante, mesmo que a corrente que passe por ele varie. Para operar como regulador zener o mesmo deve operar com polarização inversa e a tensão da fonte deve ser maior do que a tensão zener de ruptura (VZ). Para limitar a corrente zener abaixo de sua especificação, instala-se um resistor em série (RS) com o diodo zener VE Tensão de saída da fonte a ser regulada. V RS Queda de tensão no resistor série. VZ Tensão zener ou tensão de saída regulada. V RS = VE -VZ Regra de cálculo para o regulador zener: A) Tensão Thevenin (VTH) É a tensão que aparece sobre os terminais do diodo zener, imaginando que o diodo zener está aberto, neste instante temse um divisor de tensão, formado por RS e RL. VTH = RL x VE RL + RS A relação que satisfaz o funcionamento do diodo zener na região de ruptura é: VTH > VZ B) Corrente quiescente no resistor série ( I RSQ) I RSQ = VE - VZ ou I RSQ = I RL + I Z RS DIODO DE JUNÇÃO PN 35

18 D) Corrente quiescente na carga RL (I RLQ) I RLQ = VZ RL V RL = VZ E) Corrente quiescente no diodo zener (I ZQ) I ZQ = I RSQ - I RLQ F) Cálculo do resistor série RS Para o dimensionamento do resistor RS, necessitamos conhecer as características da fonte de alimentação a ser regulada e das condições operativas que o regulador deverá atuar. Exemplificaremos quatro formas de operação: 1) Fonte fixa e carga fixa (FFCF); 2) Fonte fixa e carga variável (FFCV); 3) Fonte variável e carga fixa (FVCF); 4) Fonte variável e carga variável (FVCV) Regulador De Tensão Zener Com Fonte Fixa e Carga Fixa (FFCF) IZ MIN = IZ MAX x 0,1 = 4,166mA IZ MAX = PZ = 0,5W = 41,66mA VZ 12V I RL = VZ = 12V = 24mA RL 500 A) Dimensionamento do resistor RS : Menor valor ôhmico que o resistor RS pode assumir (RS MIN) RS MIN = VE - VZ = 16V - 12V = 65 I RL + (IZ MAX x 0,9) 24mA + (41,66mA x 0,9) Maior valor ôhmico que o resistor RS pode assumir (RS MAX) RS MAX = VE - VZ = 16V - 12V = 142 I RL + IZ MIN 24mA + 4,166mA Valor ôhmico ideal que o resistor RS pode assumir (RS IDE) RS IDE = VE - VZ = 16V - 12V = 89,22 IRL + IZ MAX 24mA + 20,83mA 2 B) Cálculo dos parâmetros elétricos quiescente por componente: VPM = 91 Resistor série RS I RSQ = VE - VZ = 16V - 12V = 43,96mA P RSQ = RS x (I RSQ) 2 = 91 x (43,96mA) 2 = 175,85mW RS 91 Carga RL I RLQ = VZ = 12V = 24mA P RLQ = RL x (I RLQ) 2 = 500 x (24mA) 2 = 288mW RL 500 Diodo zener I ZQ = I RSQ - I RLQ = 43,96mA - 24mA = 19,96mA P ZQ = VZ x I ZQ = 12V x 19,96mA = 239mW Podemos observar no projeto que suas características atendem plenamente a carga e não sobrecarrega o diodo zener, pois sua potência máxima é de 500mW e no circuito opera próximo a 50% da mesma. Cálculo da tensão thevenin: VTH = RL x VE = 500 x 16V = l3,54v RL + RS VTH > VZ, satisfaz a regra de cálculo para o regulador de tensão zener. DIODO DE JUNÇÃO PN 36

19 Regulador De Tensão Zener Com Fonte Fixa e Carga Variável (FFCV) IZ MAX = PZ = 0,5W = 41,66mA VZ 12V IZ MIN = IZ MAX x 0,1 = 4,166ma I RL = VZ = 12V = 24mA RL 500 A) Dimensionamento do Resistor RS Menor valor ôhmico que o resistor RS pode assumir (RS MIN): RS MIN = VE - VZ = 16V - 12V = 106,68 IZ MAX x 0,9 41,66mA x 0,9 Maior valor ôhmico que o resistor RS pode assumir (RS MAX): RS MAX = VE - VZ = 16V - 12V = 142 I RL + IZ MIN 24mA + 4,166mA Valor ôhmico ideal para o resistor RS (RS IDE): RS IDE = VE - VZ = 16V - 12V = 121 IZ MAX + I RL 32,83mA 2 B) Cálculo dos parâmetros elétricos quiescente por componente: VPM = 120 Resistor série RS I RSQ = VE - VZ = 16V - 12V = 33,33mA RS 120 P RSQ = RS x (I RSQ) 2 = 120 x (33,33mA) 2 = 133mW Carga RL: I RLQ = VZ = 12V = 24mA RL 500 P RLQ = RL x (I RLQ) 2 = 500 x (24mA) 2 = 288mW Diodo zener Com a carga RL conectada: I ZQ = I RSQ - I RL = 33,33mA - 24mA = 9,33mA P ZQ = VZ x I ZQ = 12V x 9,33mA = 111mW Com a carga RL desconectada: I ZQ = I RSQ = 33,33mA P ZQ = VZ x I ZQ = 12V x 33,33mA = 399mW Podemos observar no projeto que suas características atendem plenamente a carga e não sobrecarrega o diodo zener independente da carga RL estar ou não conectada. Cálculo da tensão thevenin (VTH): VTH = RL x VE = 500 x 16V = 12,9V RL + RS VTH > VZ, satisfaz a regra de cálculo para o regulador de tensão zener Regulador De Tensão Zener Com Fonte Variável e Carga Fixa (FVCF) IZ MAX = PZ = 0,5W = 41,66mA VZ 12V IZ MIN = IZ MAX x 0,1 = 4,166mA I RL = VZ = 12V = 24mA RL 500 DIODO DE JUNÇÃO PN 37

20 A) Dimensionamento do resistor RS Menor valor ôhmico que o resistor RS pode assumir (RS MIN) RS MIN VEMAX VZ 20V 12V 130 I RL IZ 0,9 24mA 41,66mA 0,9 MAX Maior valor ôhmico que o resistor Rs pode assumir (RS MAX): VEMIN VZ 16V 12V RS MAX 142 I RL IZ MIN 24mA 4,166mA Valor ôhmico ideal para o resistor RS (RS IDE): VE MAX VEMIN 20V 16V VZ 12V RS 2 2 IDE 133, 84 VPM = 130 IZ MAX 4,166mA I RL 24mA 2 2 Podemos observar nos cálculos que a faixa entre os resistores máximo e mínimo é muito estreita e em alguns projetos onde a fonte de entrada assume uma grande faixa de variação, os valores calculados dos resistores máximo e mínimo tornam-se incoerentes (RS MÁX<RS MIN); desta forma, temos duas opções para prosseguir com o cálculo do projeto: 1) aumentar a potência do zener utilizado e recalcular os resistores, fazendo RS MÁX > RS MIN. 2) manter a potência inicial do zener e fazer RS IDE = RS MIN. B) Cálculo dos parâmetros elétricos quiescentes por componente: 1) Com a tensão máxima de entrada (VEQ=20V) Resistor série RS I RSQ = VEQ - VZ = 20V - 12V = 61,54mA P RSQ = RS x (I RSQ) 2 = 130 x (61,54mA) 2 = 492mW RS 130 Carga RL I RLQ = VZ = 12V = 24 ma P RLQ = RL x (I RLQ) 2 = 500 x (24mA) 2 = 288mW RL 500 Diodo zener I ZQ = I RSQ - I RLQ = 61,54mA - 24mA = 37,54mA P ZQ = VZ x I ZQ = 12V x 37,54mA = 450mW 3) Com a tensão mínima de entrada (VEQ=16V) Resistor série RS I RSQ = 16V - 12V = 30,77mA P RSQ = 130 x (30,77mA) 2 = 123mW 130 Carga RL Mantém os mesmos valores calculados em B. Diodo zener I ZQ = 30,77mA - 24mA = 6,77mA P ZQ = 12V x 6,77mA = 81mW Podemos observar nos cálculos dos parâmetros elétricos que, utilizando VE MAX e VE MIN, ambos atendem plenamente à carga e às características do diodo zener. Cálculo da tensão thevenin : VTH = RL x VEQ RL + RS VTH1 = 500 x 20V =15,87V VTH2 = 500 x16v = 12,69V VTH > VZ satisfaz a regra de cálculo para o regulador de tensão zener. Para o regulador FVCF, quando RS MAX < RS MIN e optarmos pela opção RS IDE = RS MIN, torna-se necessário o cálculo da tensão crítica de entrada (VC), que eqüivale à menor tensão de entrada no regulador sem que o mesmo perca suas características de regulação. VC = (I RLQ + IZ MIN) x RS + VZ = (24mA + 4,166mA) x V = 15,66V Para que o regulador opere em toda faixa de variação da tensão de entrada, temos que fazer: VE MIN VC DIODO DE JUNÇÃO PN 38

21 Regulador De Tensão Zener Com Fonte Variável e Carga Variável (FVCV) IZ MAX = PZ = 0,5W = 41,66mA VZ 12V IZ MIN = IZ MAX x 0,1 = 4,166mA I RL = VZ = 12V = 24mA RL 500 A) Dimensionamento do resistor RS Menor valor ôhmico que o resistor RS pode assumir : Maior valor ôhmico que o resistor RS pode assumir : RS VEMAX VZ 20V 12V 213 IZ 0,9 41,66mA 0,9 VZ 16V 12V MIN MIN RS MAX 142 MAX I RL IZ MIN 24mA 4,166mA Valor ôhmico ideal para o resistor RS: Para os reguladores FVCV, a potência exigida pelo diodo zener, normalmente, é maior que a potência dos zeners utilizados nos outros tipos de reguladores. Sendo assim, os cálculos do menor e maior valor ôhmico do resistor RS podem mostrar valores incoerentes. RS MAX < RS MIN Para os cálculos em que RS MAX < RS MIN, adota-se as opções: 1) Aumentar a potência zener utilizada e recalcular os resistores, para fazer RS MAX > RS MIN. Para o exemplo, substituindo o diodo zener de 0,5W para um de 1W, o resistor RS MAX torna-se maior que RS MIN. Calcular o resistor ideal como: VE VE VE 20V 16V MAX MIN VZ 12V RS 2 2 IDE 111, 8 I RL IZ MAX 24mA 83,33mA 2 2 3) Manter a potência zener inicial de projeto e fazer: RS IDE RS MIN = 213 VPM = 110 VPM = 200 B) Cálculo dos parâmetros elétricos quiescentes por componentes: Para o cálculo dos parâmetros elétricos, consultar a tabela abaixo, utilizando as mesmas fórmulas aplicadas no subitem PARÂMETROS PZ = 1,0 W OPÇÃO 1 RS IDE = 110 PZ = 0,5W OPÇÃO 2 RS IDE = 200 VE MAX = 20V VE MIN = 16V VE MAX = 20V VE MIN = 16V I RSQ 72,73mA 36,36mA 40mA 22,8mA P RSQ 582mW 145mW 320mW 104mW I RLQ 24mA 24mA 24mA 22,8mA P RLQ 288mW 288mW 288mW 259mW I ZQ 48,73mA 12,36mA 16mA - X - P ZQ 585mW 148mW 192mW - X - VEC 15,56V 17,53V Na opção - 1, com um aumento da potência zener de 0,5W para 1W, o regulador permite operar em toda faixa de variações da tensão não regulada. Para a menor tensão de entrada a carga recebe a corrente necessária para o seu funcionamento e o diodo zener uma corrente de trabalho > IZ MIN, garantindo o seu funcionamento. DIODO DE JUNÇÃO PN 39

22 Para a maior tensão de entrada a carga continua com sua tensão e corrente estáveis e o diodo zener recebendo uma corrente de trabalho < (IZ MAX x 0.9), garantindo um funcionamento estável. Calculando a tensão crítica de entrada podemos observar, que um aumento de potência zener permite maior faixa de oscilação na tensão de entrada. VEC = (I RLQ + IZ MIN) x RS + VZ VEC = (24mA + 8,33mA) x V = 15,56V Na opção - 2, o valor calculado da corrente no resistor série RS, com VE MIN = 16V, demonstra que regulador perde suas características de regulador estabilizado, pois a tensão sobre os terminais da carga será inferior a VZ e a corrente disponível para a carga, aproximadamente 20mA. I RSQ = VEQ - VZ 16V - 12V = 20mA RS 200 Em uma segunda aproximação, considerando que o diodo zener encontra-se fora de serviço, a corrente sobre o resistor RS Com maior precisão é: I RSQ = VEQ = 16V = 22,8mA RS + RL Como o cálculo do regulador foi feito através da segunda opção do subitem A, torna-se necessário calcular a tensão crítica de entrada, para garantir o funcionamento do zener. Tensão de entrada crítica mínima (VEC MIN) VEC MIN = (I RLQ + IZ MIN) x RS + VZ = (24mA + 4,166mA) x V = 17,63V Tensão de entrada crítica máxima (VEC MAX) VEC MAX = ( IZ MAX x RS ) + VZ = ( 83,33mA x 110 ) + 12V = 21,116V A tensão VEC MIN = 17,63V é a menor tensão que a fonte não regulada pode fornecer, sem que o regulador zener perca suas características de regulador estabilizado. A tensão VEC MAX = 21,116V é a maior tensão que a fonte não regulada pode fornecer, sem que o regulador zener danifique e perca suas características de regulador estabilizado. A perda da regulação de tensão em uma fonte de alimentação de circuitos eletrônicos ocasiona irregularidades em seu funcionamento, tornando necessário um aumento da potência zener, para que as variações da carga e da tensão de entrada, não limite o funcionamento do regulador. Um regulador estabilizado deve operar com o diodo zener na região de ruptura (VTH > VZ). Outra maneira de se projetar um regulador zener estabilizado, é conhecendo a impedância zener (RZ), aplicando-se a relação: RZ 0,01RS e RZ 0,01RL Sendo impossível, em certos casos, satisfazer a regra de 100 : 1 usando um regulador zener, optamos por um regulador menos estabilizado ou um regulador transistorizado. Os reguladores de tensão transistorizados, também conhecidos como circuito amplificador de tensão zener, tem como função básica aumentar a potência característica do diodo zener, isto é, com um diodo zener de 500mW podemos regular uma tensão para uma carga de 2000mW ou mais; este grau de amplificação será definido pelo transistor utilizado no circuito regulador. Os reguladores de tensão transistorizados, serão concatenados com os estudos dos amplificadores transistorizados na configuração Coletor-Comum ou Seguidor de Base. DIODO DE JUNÇÃO PN 40

23 2.8 EXERCÍCIOS TEÓRICOS CAP. II 1) Dê a definição de um diodo de junção. 2) Represente simbolicamente seis tipos de diodo de junção, que tem maior aplicação em circuitos eletrônicos? 3) Em que quadrante opera um diodo trivial, que tem sua barreira de depleção reduzida e como se chama essa região? 4) O que é tensão de ruptura num diodo de junção trivial? 5) Em que quadrante opera um diodo trivial, que tem sua barreira de depleção aumentada, como se chama essa região e como ela se divide? 6) Represente simbolicamente e graficamente um diodo de junção real com Segunda e terceira aproximação? 7) O que é corrente covalente-band, em um diodo de junção? 8) Dê a definição de corrente de fuga em estado de saturação e superficial, em um diodo de junção? 9) Em um diodo de junção, quem são os portadores minoritários e majoritários de cada região e em que banda de energia estão localizados? 10) Na junção de um diodo existem os portadores fixos, qual o nome desses portadores e em que banda de energia estão localizados? 11) Para um diodo polarizado diretamente, descrever o movimento de elétrons circulando pelas regiões e bandas de energias respectivamente? 12) Quanto vale a faixa de potencial de joelho com Segunda aproximação, da curva característica dos diodos de junção de germânio e silício? 13) Dê a representação matemática da equação de uma reta de um diodo de junção, utilizando os parâmetros elétricos? 14) O que é resistência estática de um diodo de junção? 15) Como se explica os diferentes valores de resistência estática de um diodo de junção de silício e de germânio, polarizado reversamente? 16) O que é resistência dinâmica de um diodo de junção, dê os dois símbolos indicativos e a forma em que os mesmos são determinados? 17) Como se explica o pequeno desvio da curva característica de um diodo de junção, operando na região direta? 18) O que é um circuito multiplicador de tensão estático e onde se aplica esse tipo de circuito? 19) O que é um circuito Clippers (ceifadores) e onde se aplica? 20) O que é um circuito Clampers (grampeadores) e onde se aplica? 21) Qual o nome do circuito eletrônico, que é acrescentado nos voltímetros de corrente contínua, destinados a medir ondas senoidais assimétricas? 22) Dê o significado da palavra LED? 23) Em que faixa de luz com comprimento em Angstrons ( Å ), são fabricados os diodos emissores de luz? 24) Qual a faixa do comprimento de onda em nano-metros, da luz visível aos olhos humanos? 25) Dê o significado da formula química GaAsP, utilizado na dopagem de diodo LED? 26) Dê o tempo de vida útil em horas, de uma lâmpada incandescente, néon e de um diodo LED, quando os mesmos forem energizados corretamente? 27) Cite as três regiões de operação de um diodo zener e explique em qual delas o mesmo é usado em circuitos de fonte de alimentação? 28) Para que um diodo zener opere como regulador de tensão, o que torna-se necessário relacionando a fonte de entrada e a carga a ser alimentada? 29) O que é um regulador de tensão estabilizado? 30) Para um regulador de tensão zener, que não satisfaz a regra de 100:1, relacionando carga e impedância zener, qual será a opção na revisão de projeto? DIODO DE JUNÇÃO PN 41

24 2.9 EXERCÍCIOS DE CÁLCULOS CAP. II 1) Um diodo de junção de silício, apresenta uma corrente de fuga reversa em estado de saturação de 32nA à 26 C. Qual a intensidade dessa corrente à 46 C? 2) Um diodo de junção apresenta uma corrente de fuga à 50 C de 60 na. Determinar a intensidade da corrente de fuga à 25 C? 3) Levantar a reta de carga e determinar a resistência estática do diodo, no circuito abaixo. 4) Levantar a reta de carga e determinar a resistência dinâmica do diodo, no circuito abaixo. 5) Um diodo de junção de silício apresenta uma corrente média direta de 40,05 ma, com uma tensão nos terminais de 0,63V. Determinar: A) A tensão na junção do diodo? B) A que temperatura ambiente foram feita as medições? C) Qual o valor da resistência dinâmica apresentado pelo material ativo do diodo? D) Qual o valor da resistência dinâmica apresentado nos terminais do diodo? 6) Sabendo que a tensão de junção de um diodo é de 0,59V a uma temperatura ambiente de 31ºC. Determinar: A) A corrente média direta que circula pelo diodo? B) A temperatura absoluta da junção? C) A resistência dinâmica apresentada nos terminais do diodo? D) A queda de tensão nos terminais do diodo? 7) Um diodo de junção apresenta uma corrente média direta de 1400mA, com uma tensão nos terminais do diodo de 0,38V. Determinar: A) A tensão na junção do diodo? B) A que temperatura ambiente foram feita as medições? C) Qual o valor da resistência dinâmica apresentado pelo material ativo do diodo? D) Qual o valor da resistência dinâmica apresentado nos terminais do diodo? E) Qual a temperatura absoluta da junção? 8) Em um diodo de junção circula uma corrente média de 1,1A com uma temperatura ambiente de 299,15 K e uma queda de tensão nos terminais do diodo de 0,35V. Determinar: A) A corrente de saturação inversa de fuga? B) A tensão de junção do diodo? C) A queda de tensão passiva, gerada pelo diodo? D) A quantidade de carga elétrica em Coulomb existente no interior do diodo? E) A resistência dinâmica apresentada nos terminais do diodo? 9) Calcular a tensão média de saída sobre os terminais do capacitor C2. DIODO DE JUNÇÃO PN 42