Material Semicondutor

Transcrição

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2 Material Semicondutor Possuem propriedades elétrica especiais - Os mecanismo de circulação das cargas não podem ser explicado como nos condutores/isoladores - Não é um bom condutor de corrente elétrica (como o Cu ou o Al) - Não é um isolante (como a borracha ou o plástico)

3 Região de depressão

4 Nenhuma A corrente corrente flui flui através através da junção da junção

5 Junção PN - União entre materiais tipo P e N - Região onde materiais são unidos junção PN - Processo que cria zona de transição entre 2 tipos de materiais Para diodos de germânio esse valor é cerca de 0,3V e silício 0,7V.

6 ANÁLISE SIMPLIFICADA DO FUNCIONAMENTO DO DÍODO Características Comporta-se como um interruptor direcional Deixa passar corrente num sentido direto Não permite passagem de corrente em sentido reverso SENTIDO DIRETO SENTIDO REVERSO

7 Calcular a corrente que percorre o circuito considerando o modelo do díodo ideal - Díodo conduz? - Hipótese: considerar díodo ON e calcular ID

8 Calcular a corrente que percorre o circuito considerando o modelo do díodo ideal - Díodo conduz? - Hipótese: considerar díodo OFF V D = 5 VD < 0

9 CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO

10 CONFIGURAÇÃO PRÁTICA

11 Análise de circuito com diodos 220 ohms Vl = Vfonte - Vd Vl = 12 0,6 Vl = 11,4 V 11,4V It = (Vf Vd) / Rt It = (12 0,6) / 220 It = 11,04 / 220 It = 0,051A It = 51,81mA Rl =? POLARIZAÇÃO DIRETA

12 Não existe corrente entre o pólo positivo da fonte e o diodo. A corrente sendo zero a queda de tensão na lâmpada será zero, assim toda tensão estará sobre o diodo. Esta é uma característica do circuito serie aberto. POLARIZAÇÃO REVERSA

13 CH1 Analise de circuito D4 L4 I D1 D2 D3 I3 12VDC I2 L1 L2 L3 Somente L1 e L4 irão acender L1 e L4 tem uma resistência de 10 ohms e 17,5 ohms respectivamente. Qual o tipo de ligação que as lâmpadas pertencem e qual a corrente total do circuito?

14 Analisar o circuito abaixo e verificar se existe fluxo de corrente, se existir, determinar a corrente. 1K Quando a tensão da fonte na malha for maior que 10V, e o circuito possuir somente um diodo podemos considerar a queda de tensão no diodo igual a zero. Calcular a corrente para uma fonte de 24V e 100V V=24; I = 23,3mA V=100; I = 99,3mA

15 Analisar as quedas de tensões e determinar a corrente do circuito. 100V D1 D2 D3 R1 Para conduzir um diodo consome 0,6V 0,6x3 = 1,8V 12K Vr1 = 100 1,8 Vr1 = 98,2 V It = 98,2 / It = 0,0081 A It = 8,18mA

16 Verificar o sentido da corrente e calcular seu valor total 100V I1 I2 I3 D1 D2 D3 It = I1 + I2 + I3 I = V / R R1 R2 R3 It = 0,01 + 0,01 3 x 10K

17 Complete a tabela Fonte VR1 Vd It PR 3VDC 0,7 5VDC 0,6 10VDC 0,7 12VDC 0,6 13.8VDC 0,7 24VDC 0,6

18 TESTE DO DIODO - Posicione o seletor na escala de teste de diodo Teste de diodo

19 EXERCÍCIO PRÁTICO ANALISE DE CIRCUITOS COM DIODOS Análise os valores medidos no circuito abaixo

20 DIODO EMISSOR DE LUZ (LIGHT EMMITING DIODE - LED) Apresenta uma junção PN, semelhante a um diodo comum, que emite luz visível quando diretamente polarizado. Geralmente a corrente para a polarização de um LED comum deve ficar na faixa de 3 ma a 15 ma.

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23 Cada led deverá ter uma resistência em série para limitar a corrente de funcionamento. Se a ligação for em paralelo, é aconselhável usar para cada um dos leds uma resistência limitadora. Ligação correta

24 CÁLCULO DA RESISTÊNCIA DE POLARIZAÇÃO DE UM LED. Para um led de 2V e 15mA, ligado a uma fonte de 9VDC.

25 EXERCÍCIO PRÁTICO Calculo do Resistor do LED Dados: V = 12VDC Vled = 2,2VDC Iled = 10mA R1 =? VRES = 12 2,2 VRES = 9,8 VDC R = Vres/Iled R = 9,8 / 0,010 12VDC R1 1K LED1 R = 980 ohms R=~ 1Kohms + -

26 EXERCÍCIO PRÁTICO Montar o circuito abaixo : Para ligaro LED Aoligara fonteo LED iniciadesligado. Para ligar o led deve pressionar um botão. Execute a montagem Para desligar o LED Aoligara fonteo LED iniciarligado. Para desligar o led deve pressionar um botão. Execute a montagem

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28 DIODO ZENER É também conhecido por diodo de ruptura, diodo de tensão constante, díodo regulador de tensão. Pz=Vz.Iz Izm=Pz/Vz Izm= Max corrente de zener Pz= Potencia zener Vz= Tensão de zener O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (UZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.

29 Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável, perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do que montar o sistema constituído pelo díodo zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o díodo fique em paralelo com a carga. R Resistência que tem por função limitar a corrente no zener (I Z ). Rc Resistência de carga (receptor)

30 POLARIZAÇÃO O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (U Z ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.

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33 CURVA CARACTERÍSTICA ZONA DE TRABALHO Os díodos zener são definidos pela sua tensão de zener (Uz) mas para que possa existir regulação/estabilização de tensão aos seus terminais a corrente que circula pelo díodo zener (Iz) deve manter-se entre os valores de corrente zener definidos como máximo e mínimo, pois se é menor que o valor mínimo, não permite a regulação da tensão e, se é maior, pode romper a junção PN por excesso de corrente.

34 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros: V z Tensão de zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste I ZT ) I zmáx Corrente de zener máxima I zmin Corrente de zener mínima P z Potência de dissipação (P Z = V Z x I Z ) Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído.

35 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Vimos que o díodo rectificador se comportava quase como isolador quando a polarização era inversa. O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado valor da tensão (VZ), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente. Qual será então o fato que justifica esta transformação de isolador em condutor? A explicação é nos dada pela teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche

36 Efeito de zener Ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor (Vz) é rompida a estrutura atómica do díodo e vencida a zona neutra, originando assim a corrente elétrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas Vr <5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem (percentagem de impurezas) do silício ou do germânio. Efeito de avalanche Para tensões inversas Vr >7 Volt, a condução do díodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas eléctricas (electrões). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar electrões dos átomos semicondutores, através do choque. Estes novos electrões libertados e acelerados libertam outros, originando uma reacção em cadeia, à qual se dá o nome de efeito de avalanche. Para tensões inversas Vr, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).

37 Determine a corrente total do circuito, Pz=0,5W Dz1=5v6 R1=12k Vin=24V It=(Vin-Vz)/R1 It=(24-5,6)/12000 It=1,53mA Pz=Vzx It Pz=5,6 x 0,00153 Pz=0,008568W ou 8,56mW A potência consumida do zener é menor do que 500mW, o diodo zener está aplicado corretamente. Calcular usando R1 =180R It=Vin-Vz/R1 It=24-5,6/180 It=0,10222 A 102,22mA Pz=Vzx It Pz=5,6 x 0,10222 Pz=0,5724W ou 572,44mW Com R1=180R a potência consumida excedeu a nominal do zener.

38 Determinar a corrente de R2, Dz1=5,6V R1=2K R2=1K Vin=18V IRL=Vz/R2 IRL=5,6/1000 IRL=0,0056 A 5,6mA O resistor R2 está em paralelo com zener,considerando somente R2 e Dz1 a fonte e R1 não interferem na corrente de saída. Está é a função do zener servir de estabilizador da tensão de saída.

39 Determine R1 considerando a tensão de zener 12v. Analisar a malha de saída, calculando a corrente em R2. Calcular a corrente no diodo zener baseado na sua potência. Calcular o valor de R1 analisando a malha de entrada. IT = 36mA R1 =? Vin 48V Malha 1 Malha 2 Corrente em R1 IR1 = Iz+ IRL IR1 = IR1 = 36mA R2 = 500 ohms VR2 = 12V IL -Corrente da carga IL=Vz/R2 IL=12/500 IL=0,02A IL=24mA IZ-Corrente de Zener Iz= IT -IL Iz= Iz= 12mA A corrente que passa em R1 é a soma da corrente de Dz1 mais R2. Tensão em R1 VR1 = Vfonte-VR2 VR1 = VR1 = 36V Valor de R1 R1 = VR1 x IT R1 = 36 / 0,036 R1 = 1000 ohms

40 Verificar experimentalmente o efeito estabilizador de tensão de um díodo zener Desenhar o esquema do circuito elétrico Tensão da fonte 12VDC Carga - 2,2 VDC 10mA R2 = 560 ohms Calcular R1 Vz=5,1 IL - Corrente da carga IL = Vz/ R2 IL = 5,1/570 IL = 0,008 A IL = 8,94mA IZ- Corrente de Zener Iz= It-IL Iz= 6,97 8,94 Iz= 1,97 ma Resistencia da malha 2 RM2 = R2 + Resld1 RM2 = RM2 = 570 ohms Tensão em R1 VR1 = Vfonte-(VR2+LD1) VR1 = 12 (2,82+2,2) VR1 = 12 (2,82+2,2) VR1 = 6,98V IT=6,97mA Malha 1 Malha 2 A resistência R2 tem por função limitar a corrente no led. A resistência de R1 tem por função limitar a corrente no zener Montar e verificar os valores calculados Valor de R1 R1 = VR1 / IT R1 = 6,98 / 0,069 R1 = 1011,59 ohms VR2=2,82 Verificar o código alfanumérico do díodo e o código de cores das resistências. Testar com um multímetro todos os componentes que vai utilizar. Colocar os componentes no protoboard e interligá-los entre si através dos condutores elétricos. Tirar conclusões das observações experimentais.

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42 Circuito meia onda Circuito regulador com Zener C A B C A B D1 = 1N4007 Imax = 1 A VRM = 1000V D1 = 1N4007 Imax = 1 A VRM = 1000V Ponto A Dz1 Vz = 10V Pz = 1W Ponto A Dz1 Vz = 10V Pz = 1W Ponto B Ponto B Ponto C Ponto C

43 Determinar a corrente zener no circuito abaixo para máxima e mínima tensão de entrada OBS.: A tensão de entrada varia ±10% entre 44 V a 36 V. Para Vin = 44V IL = Vz / Rl IL = 24 / IL = 2,4mA It = (Vf Vz) / Rz It = (44 24) / 1200 It = 16,66 ma It Vrz Iz IRL Iz = It - IL Iz = 2,4 16,66 Iz = 14,26 ma Para Vin = 36V IL = Vz / Rl IL = 24 / IL = 2,4 ma Iz = It - IL Iz = 10 2,4 Iz = 7,6 ma It = (Vf Vz) / Rz It = (36 24) / 1200 It = 10 ma Corrente máxima do zener Izmax = Pz / Vz Izmax = 0,5 / 24 Izmax = 21mA Conclusão A corrente no zener nunca ficara > 21mA. O circuito consegue estabilizar a tensão de 24V mesmo com uma variação de 10% na entrada.

44 Considere um diodo zener de 5V1 e potência de 300 mw. Qual será a corrente máxima permitida? Iz = Pz / Vz Iz = 0,3 / 5,1 Iz = 0,05 A Iz = 58,82 ma Nestas condições o diodo zener suporta uma corrente máxima reversa de 58,82 ma Ate aqui calculamos a corrente máxima que um diodo zener pode suportar sem causar danos, no entanto, existe para efeitos de projeto uma porcentagem a ser considerada no dimensionamento desses componentes. EVITANDO AQUECIMENTO EXCESSIVO NA JUNÇÃO Toda vez que calculamos a corrente do zener utilizando sua potência, esse valor será o máximo tolerável, para tornar o dimensionamento mais próximo do perfeito, utiliza-se um valor de Iz menor que o máximo valor calculado.

45 Considerando um diodo cuja tensão zener seja de 12 V e cuja potência seja 500 mw, sendo a fonte de alimentação de 18 V, pode-se calcular o valor da resistência em série com o diodo. Podemos considerar a corrente mínima do zener como sendo aproximadamente de 10 a 20% do valor da corrente máxima. Iz = Pz / Vz Iz = 0,5 / 12 Iz = 0,04 A Iz = 41,66 ma Calculando Iz mínima IZmin = 0,04.0,15 IZmin = 6 ma Calculando o valor mínimo do resistor Rz RZmin = (Vf Vz) / IZmax RZmin = (18 12) / 0,04 RZmin = 150 ohms O valor de ideal de Rz deve ser superior a RZMIN para que o diodo não seja submetido a uma corrente superior à sua corrente máxima IZMAX. Calculando o valor máximo do resistor Rz RZmax = (Vf Vz) / IZmin RZmax = (18 12) / 0,006 RZmax = 1000 ohms Calculando o valor de Rz RZ = (Rzmin + Rzmax) / 2 RZ = ( ) / 2 RZ = 575 ohms Conclusão: RZmin < Rz < Rzmax

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48 Circuitos com resistências e díodos - Níveis lógicos correspondem a tensões - ON curto fechado (ID>0) - OFF circuito aberto (VD<0)

49 FUNÇÃO AND (E LÓGICO) TABELA VERDADE Quantas entradas? 2 Quantas possibilidades? 2 Numero de possibilidades Numero de entradas FUNÇÃO LÓGICA

50 Função OR (OU lógico) TABELA VERDADE FUNÇÃO LÓGICA

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52 SISTEMA DE AUTOMAÇÃO