LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Guia de Experimentos

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS LABORATÓRIO 1 DIODOS Experimento 1 Características e Aplicações de Diodos LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Guia de Experimentos 1

2 Experimento 1 Características e Aplicações de Diodos (Parte 1) Objetivos Os experimentos de laboratório aqui apresentados têm por objetivo o estudo das características elétricas do diodo de junção de silício, bem como algumas de suas principais aplicações, tais como: retificadores, portas lógicas, grampeadores e multiplicadores de tensão (dobradores/triplicadores). Introdução Teórica Diodo Ideal O diodo semicondutor é um dos elementos básicos constituinte de uma grande variedade de sistemas eletrônicos atuais. Ele aparece em aplicações simples ou complexas. Antes de examinar as características de um dispositivo real, consideraremos primeiro o dispositivo ideal, que serve como base de comparação. O diodo ideal é um dispositivo de dois terminais, cujo símbolo e curva característica estão mostrados nas Figuras 1a e 1b, respectivamente. id v d vd i d - (a) (b) Figura 1 Diodo ideal: (a) símbolo; (b) características. Analisando a curva característica descrita acima, conclui-se que com a polaridade apresentada na Figura 1a o diodo se comporta como um curto-circuito (região de condução direta), caso se inverta a polaridade, o diodo se comporta como um circuito aberto (região de não-condução). Diodo Real O diodo semicondutor é formado da junção de um material tipo P com um material tipo N, construídos a partir da mesma base de Silício. Outros tipos de semicondutores, como o de Germânio, também são usados, mas o diodo de Silício é mais difundido comercialmente porque possui capacidade de corrente, tensão de pico inversa (TPI) e faixa de temperatura mais altas. A vantagem do diodo de Germânio sobre o de Silício é que sua região ativa se inicia com tensões mais baixas. Para diodos de Silício V O =0,7 V e para diodos de Germânio V O =0,3 V. 2

3 A Figura 2 mostra a curva característica do diodo de Silício. A mesma curva é mostrada na Figura 3, com as escalas expandidas ou comprimidas de forma a apresentar melhor os detalhes. id vd Figura 2 Característica do diodo de Silício escala contínua nos eixos vertical e horizontal. id (1) (3) vz (2) 0,7 V vd Figura 3 Característica do diodo de Silício escalas diferentes nos eixos vertical e horizontal. Na curva da Figura 3 pode-se observar três regiões distintas: (1) Região de polarização direta, determinada por v d >0; (2) Região de polarização reversa, determinada por v d <0; (3) Região de ruptura, determinada por v d <v z. A Região de Polarização Direta A condição de polarização direta é estabelecida quando aplicado o potencial positivo ao anodo e o potencial negativo ao catodo. A relação i d v d pode ser bem aproximada pela equação 2.1. Equation Section 2 vd ηv T id = Is e 1 (2.1) 3

4 I S é a Corrente de Saturação Reversa ou Corrente, que é constante para um determinado diodo numa dada temperatura, dependendo das dimensões da junção e da estrutura física. I S é da ordem de A e tem uma forte dependência com a temperatura, dobrando a cada acréscimo de 10 C. A tensão V T é uma constante chamada tensão térmica, dada por kt VT = (2.2) q k é a constante de Boltzman que vale 1, Joules/Kelvin T é a temperatura absoluta em Kelvin q é a carga elétrica do elétron que vale 1, Coulomb Na temperatura ambiente (27 C = 300K) o valor de V T é de aproximadamente 26 mv. A constante η da equação do diodo tem um valor entre 1 e 2, dependendo do material e da estrutura física do diodo. η=1 para diodos de Germânio e η=2 para diodos de Silício para correntes nominais. Para V d >>ηv T, ou seja, considerando η=2 para V d >>52mV a equação do diodo pode ser aproximada por ou na forma logarítmica v i d v d VT = I e η (2.3) s i d d =η VTln (2.4) I s Esta dependência logarítmica indica que, para grandes variações na corrente do diodo, tem-se uma pequena variação da sua tensão. Pela equação 2.4 observa-se que para η=1, a tensão do diodo aumenta 60 mv para um aumento de 10 vezes na corrente. Para uma dada temperatura, a característica do diodo fica completamente determinada conhecendo-se I S e η. Estes parâmetros podem ser determinados experimentalmente tomando dois valores diferentes de I D e V D. Para a primeira medição, tem-se V D1 D1 = ηvt Ln e I S I i d1 v d1 ηvt = I e (2.5) Para a segunda medição, tem-se vd2 I D2 ηvt VD2 = ηvt Ln e id2 = Ise (2.6) I S Dividindo-se a equação 2.6 pela equação 2.5, tem-se VD 2 VD1 I D2 ηvt = e (2.7) I D1 Aplicando-se logaritmo a ambos os termos obtém-se VD2 VD 1 η = (2.8) I D2 V T Ln I D1 De onde se calcula η. De posse do valor de η pode-se calcular o valor de I S utilizando a equação 2.5 ou a equação 2.6. Esta medição é realizada aplicando-se uma corrente sobre o diodo e medindo-se a sua tensão. Fazendo isso para vários valores pode-se produzir a curva completa. A curva característica do diodo também pode ser visualizada no osciloscópio s 4

5 usando os canais horizontal e vertical do mesmo e uma fonte de sinal com uma forma de onda dente de serra ou triangular. Aplicando na entrada X a tensão dos terminais do diodo e na entrada Y uma amostra da corrente do diodo retirada através de um resistor em série como mostrado no circuito da Figura 4, obtém-se a curva característica do diodo. D Y X Gnd R Figura 4 Conexões para observar a curva característica no osciloscópio. Deve-se observar que a tensão sobre o resistor é tomada com polaridade invertida com relação a corrente do circuito. Desta forma, a curva do diodo aparece invertida na tela do osciloscópio (4 quadrante). É importante observar que o osciloscópio e o gerador não podem ser ambos aterrados. Teste do Diodo com Ohmímetro A condição de um diodo semicondutor pode ser rapidamente determinada usando-se um ohmímetro. A bateria interna do ohmímetro polarizará direta ou reversamente o diodo quando aplicada. Se o terminal positivo for ligado ao ânodo e o terminal negativo ao cátodo, então o diodo fica diretamente polarizado e o medidor deve indicar uma resistência baixa. Com a polaridade contrária, a bateria interna polarizará o diodo reversamente e a resistência será muito alta. Esta análise vale apenas para o ohmímetro digital. Com o ohmímetro analógico, a análise que deve ser feita é a inversa da descrita anteriormente. Isto acontece porque a bateria interna do multímetro analógico polariza os componentes de forma invertida em relação ao multímetro digital. Caso ocorra uma medição pequena de resistência em ambas as polaridades, o diodo está danificado (curto-circuito ou em fuga). Caso ocorra uma medição de alta de resistência em ambas as polaridades, o diodo está danificado (aberto). A Figura 5 mostra a forma física de um diodo de baixa/média potência. Anodo Catodo Aplicações de Diodos Retificadores Figura 5 Forma física de um diodo de baixa/média potência. A principal aplicação de diodos é na construção de retificadores para uso em fontes de alimentação. Um retificador obtém uma tensão DC a partir de uma tensão alternada. O circuito com diodo transforma o sinal alternado de entrada em um sinal unipolar pulsante. Um filtro capacitivo separa a componente DC na tensão de saída. Para se ter um sinal de saída DC estável, normalmente se utiliza um regulador de tensão, que é um circuito que controla a tensão de saída modificando a sua 5

6 própria queda de tensão (no caso do regulador série), absorvendo as variações. Um diagrama genérico pode ser visto na Figura 6. IL Linha AC 220V/60Hz VS Retificador com Diodo Filtro Regulador de Tensão VO Carga Figura 6 Diagrama de uma fonte de alimentação. Em uma fonte de alimentação, o transformador tem a função de isolar a fonte da rede elétrica e reduzir ou elevar a tensão alternada da rede de forma a aproximar da tensão desejada. Ele consiste de dois indutores enrolados em torno de um núcleo de ferro laminado que acopla os dois enrolamentos magneticamente. O primário é ligado a rede e o secundário é conectado ao circuito. A relação entre a tensão de entrada e a de saída é dada pela relação entre o número de espiras do enrolamento primário e do secundário. É importante relembrar os conceitos de valor médio e valor eficaz ou RMS de uma forma de onda periódica. O valor médio do sinal f(t) de período T é 1 T Vm = f( T t)dt (2.8) 0 O valor médio de um sinal senoidal é zero. O valor médio de um sinal DC é o próprio valor DC. O valor RMS (Root Mean Squared) ou valor médio quadrático, é o valor que uma fonte DC teria para prover a mesma potência numa carga alimentada pela tensão AC. Matematicamente, o valor RMS do sinal f(t) de período T é 1 T 2 Vrms = [ f(t ] T ) dt (2.9) 0 V P O valor RMS de um sinal senoidal é 2, onde V P é a tensão de pico. O valor RMS de um sinal DC é o próprio valor DC. Para que o projeto de um retificador seja bem sucedido, devem-se saber quais componentes serão necessários e suas características. Para a determinação do transformador, deve-se saber qual a tensão e corrente máxima que a fonte irá fornecer. Estes são os valores nominais do transformador. Lembrando que a tensão indicada no invólucro do transformador é a tensão eficaz. Determinado V P e I MAX calculam-se os parâmetros que determinarão qual diodo se adequará ao projeto, tais como: Potência total máxima (P DMAX ), Tensão reversa máxima (V DRMAX ) e Corrente de pico máxima (I PDMAX ). O cálculo destes parâmetros depende do tipo de retificador utilizado. 6

7 Retificador de Meia Onda O circuito retificador de meia onda pode ser visto na Figura 7 e as formas de onda correspondentes nas Figuras 8 e 9. D V O V S R - D V O V S C R - (a) (b) Figura 7 Retificador de meia onda: (a) sem filtro; (b) com filtro VD VS VO Figura 8 Forma de onda da saída de um retificador de meia onda sem filtro. Na saída do retificador de meia onda obtemos um sinal pulsado com tensão em apenas meio ciclo. Assim não está havendo aproveitamento total da entrada. Ao colocarmos um capacitor como filtro, este se carregará quando a entrada for maior do que a saída. Nas descidas do sinal, o diodo para de conduzir e o capacitor fornece a corrente para a carga. Nesse período a forma de onda de saída é exponencial decrescente. A variação da tensão de saída é denominada ripple e é dada por VP Vr = (2.10) frc O valor médio da tensão de saída é diferente de zero, como pode ser observado na Figura 9 VR VS VO Figura 9 Forma de onda da saída de um retificador de meia onda com filtro. No retificador de meia onda, V DRMAX e I PDMAX são dados pelas seguintes equações respectivamente: 7

8 PDMAX V = 2V (2.11) DRMAX P I = I 1 2π 2V P MAX Vr (2.12) Retificador de Onda Completa O retificador de onda completa aproveita os dois ciclos do sinal de entrada, gerando um sinal pulsado com um período igual ao dobro da freqüência de entrada. Temos basicamente dois tipos de circuito retificador de onda completa: retificador com center tap (derivação central) e retificador em ponte. Retificador com Center Tap O retificador com center tap utiliza um transformador com derivação central no secundário, o que equivale a dois enrolamentos, ambos com o mesmo sentido (o sentido é explicitado em circuitos com transformadores através de pontos no símbolo que mostram a relação de fase entre primário e secundário). O circuito do retificador com center tap pode ser visto na Figura 10. A forma de onda resultante é mostrada na Figura 11.. V S V S D 1 R V O -. V S V S D 1 C R V O - D 2 D 2 (a) (b) Figura 10 Retificador com center tap: (a) sem filtro; (b) com filtro VD VO -VS Figura 11 Forma de onda de um retificador em onda completa sem filtro. Como os picos são mais próximos no retificador em onda completa, o tempo de descarga do capacitor é menor e, por conseguinte o ripple é menor, para a mesma corrente de carga. A variação da tensão de saída é dada por VP Vr = (2.13) 2fRC VS 8

9 No retificador de onda completa com center tap, V DRMAX e I PDMAX são dados pelas seguintes equações respectivamente: V = 2V (2.14) Retificador em Ponte PDMAX DRMAX I = I 1 2π P V P MAX 2Vr (2.15) A ponte de diodos é uma construção muito conhecida. O circuito de um retificador em ponte pode ser visto na Figura 12. Quando a tensão V S é positiva, D 1 e D 2 conduzem e a corrente na carga é positiva. Quando V S é negativa, D 3 e D 4 conduzem, mantendo o mesmo sentido da corrente, conseqüentemente a corrente na carga também é positiva. O resultado é o mesmo do retificador em center tap e é mostrado na Figura 13. D 4 D 1 D 4 V S D 2 D 3 R V O - D 1 V S D 2 D 3 C R V O - (a) (b) Figura 12 Retificador de onda completa em ponte: (a) sem filtro; (b) com filtro VR VO -VS Figura 13 Forma de onda de um retificador em onda completa com filtro: Center tap ou ponte. No retificador de onda completa em ponte, V DRMAX e I PDMAX são dados pelas seguintes equações respectivamente: VDRMAX = VP (2.16) V P IDPMAX = IMAX 1 2π 2Vr (2.17) VS 9

10 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Parte Experimental Aluno: Mat: Objetivos Montagem e observação experimental com diversos circuitos usando diodos a semicondutor. 1 Experimento Estudo da Curva Característica do Diodo a Semicondutor a) Dado o diodo de sinal 1N4148, identifique o anodo e o catodo com o ohmímetro. b) Monte o circuito da Figura 1. c) Aplique uma tensão V DC = 10V e meça a tensão sobre o diodo V D (leitura do voltímetro) considerando R= 220Ω, 470Ω, 1KΩ, 4,7KΩ, 10KΩ, 47KΩ e 100KΩ. Anote os dados na Tabela 1. O valor de I D VDC VD pode ser obtido pela relação I D =. R d) Com os valores medidos, encontre I s e η. e) Observe a variação da tensão (mínima e máxima) sobre o diodo quando comparada com a variação da corrente (mínima e máxima) pelo mesmo. Comente. f) Com V DC = 10V e R = 1KΩ, inverta a posição do diodo e meça a tensão sobre o diodo V D (leitura do voltímetro). Comente. Figura 1 R(Ω) 220Ω 470Ω 1kΩ 2,2kΩ 4,7kΩ 10kΩ 47kΩ 100kΩ Vd(V) Id(mA) Is η Tabela 1 10

11 2 Experimento - Comparador de Tensão e Portas Lógicas No circuito a seguir o sinal de saída corresponde ao maior entre os dois sinais de entrada, realizando a função max(v 1,V 2 ). Este circuito é denominado comparador de tensão, sendo a saída V o o maior entre os valores das tensões V 1 e V 2. Por outro lado, se os sinais de entrada forem digitais binários, com dois valores de tensão (V e 0) a saída do circuito realiza a função lógica OU. V 1 D 1 V 2 D 2 V O R COMPARADORDE TENSÃO e PORTA LÓGICA OU com diodos. a) Monte o circuito da Figura 2a. b) Preencha as Tabelas com os valores de V o1 e V o2 em função de V 1 e V 2. As entradas V 1 e V 2 só podem assumir os valores 0 V ou 5 V. c) Repita os itens (a) e (b) para o circuito da Figura 2b. d) Com base nas Tabelas obtidas identifique os circuitos lógicos correspondentes. 1N V V 1 1N kω V 2 1N kω V O1 V 1 V O2 Figura 2a V 2 1N4007 Figura 2b V1 V2 V01 V1 V2 V02 11

12 3 Experimento Retificadores de Tensão a) Monte os circuitos das Figuras 3a, 3b e 3c. b) Aplique uma tensão senoidal de 1 khz com V P = 10V e R=1KΩ. c) Observe o sinal na entrada e saída simultaneamente. Comente. d) Meça os valores das tensões de pico V P na entrada e na saída. Existe alguma diferença nas amplitudes (entrada/saída)? Justifique. e) Mude a forma de onda na entrada para onda triangular e quadrada. Observe a saída. Retificador de Meia Onda Figura 3a Figura 3b Conversor AC/DC Retificador de Onda Completa Figura 3c 12

13 4 Experimento Grampeador (Deslocador de Nível de Tensão) Os circuitos grampeadores ou deslocadores de níveis possuem aplicações muito importantes em circuitos eletrônicos. Têm como função deslocar a tensão alternada de entrada, adicionando ou subtraindo um valor CC à forma de onda alternada. Estes circuitos são utilizados também como restauradores de nível DC após acoplamento capacitivo. Os circuitos grampeadores baseiam seu funcionamento na ação do diodo, porém, não modificam a forma de onda de entrada, apenas acrescentam um nível de tensão contínua ao sinal. A função do circuito grampeador é deslocar a tensão de entrada de tal forma que o valor resultante máximo da saída permanecerá em um valor fixo, sem que ocorra distorção da forma de onda aplicada. Um grampeador tem por finalidade elevar um sinal, abaixo ou acima de um determinado nível. A tensão de saída é dita grampeada positivamente e o circuito está mostrado na Figura 9. Este circuito pode ser necessário quando as variações de um sinal devem ocorrer em torno de um nível DC, ou quando, um determinado sinal que sofreu desacoplamento capacitivo, onde teremos a retirada de sua componente contínua, e esta deve ser restaurada. a) Monte o circuito grampeador da Figura 4. A tensão de alimentação Vs do circuito pode ser a tensão do secundário do transformador ou de um gerador de sinais (Sinal senoidal 1kHz e 10V P ). Verifique o funcionamento deste circuito. b) Inverta a polaridade do diodo. Verifique o funcionamento deste circuito. Tire suas conclusões. Figura 4 5 Experimento Multiplicadores de Tensão Os multiplicadores da tensão são dispositivos de conversão de potência AC-DC geralmente representados por um conjunto de diodos e capacitores interligados de forma a produzirem uma alta tensão DC a partir do potencial de uma fonte AC de uma mais baixa tensão. Os multiplicadores são dispostos de múltiplos estágios sendo cada estágio representado por um diodo e um capacitor. São circuitos usados para obter grandes valores de tensões DC. O circuito multiplicador de tensão é aquele que aumenta o valor de uma tensão AC (senoide) por um número inteiro maior ou igual a dois. Os circuitos multiplicadores de tensão mais comuns são: os dobradores, os triplicadores e os quadruplicadores de tensão. O circuito dobrador de tensão permite que se obtenha uma tensão DC que equivale a duas vezes o 13

14 valor da tensão de pico positiva ou duas vezes o valor da tensão de pico negativa de um sinal senoidal de entrada. Usando apenas capacitores e diodos, estes multiplicadores de tensão podem intensificar tensões relativamente baixas a valores extremamente elevados, ao mesmo tempo em que são mais economicamente viáveis do que transformadores. Para cada montagem a seguir meça a tensão sobre cada capacitor. a) Monte o circuito dobrador de tensão da Figura 5a. Use um gerador de sinais (Sinal senoidal 1kHz e 10V P ). Verifique o funcionamento deste circuito. Observe e meça o valor da tensão V o. b) Monte o circuito dobrador de tensão da Figura 5b. Use um gerador de sinais (Sinal senoidal 1kHz e 10V P ). Verifique o funcionamento deste circuito. Observe e meça o valor da tensão V o. c) Monte o circuito triplicador de tensão da Figura 5d. Use um gerador de sinais (Sinal senoidal 1kHz e 10V P ). Verifique o funcionamento deste circuito. Observe e meça o valor da tensão V DC. d) Para cada um das medições efetuadas nos itens a, b e c compare e comente sobre os valores da tensão de pico na entrada e saída. Justifique. Dobrador de tensão de meia onda Figura 5a Dobrador de tensão de onda completa Figura 5b 14

15 Figura 5c Observe que as Figuras 5b e 5c são representantes de um mesmo circuito. Chama-se dobrador de tensão de onda completa porque cada um dos capacitores de saída é carregado durante cada semiciclo. Durante o semiciclo positivo D1 conduz carregando C1. Durante o semiciclo negativo D2 conduz carregando C2. Como a tensão de carga dos capacitores é o valor da tensão de pico da onda e eles estão dispostos em série a tensão sobre a resistência será de 2Vp. Triplicador de tensão Figura 5d Funcionamento: O primeiro estágio funciona como um duplicador de tensão de meia onda carregando C2 com 2V P Como no semiciclo negativo D3 fica diretamente polarizado C3 também se carrega com 2V P e entre C1 e C3 teremos uma tensão de 3V P (triplicador de tensão). 15

16 Quadruplicador de tensão Uma vantagem adicional desta configuração de circuito é que a tensão através de cada estágio é somente igual a duas vezes à tensão de entrada máxima, assim tem-se a vantagem de exigir componentes de custo relativamente baixo (tensão menor sobre cada capacitor individualmente) e de fácil isolação. Aplicações Usado originalmente para a obtenção de alta tensão nos tubos de imagem de televisores de raios catódicos, os multiplicadores de tensão atualmente encontram varias aplicações práticas: em fontes de alimentação de alta tensão, em sistemas de raio X, sistemas para lasers, em aceleradores de partícula, tubos de fotomultiplicadores, bombas de íons, ionisadores de ar, sistemas eletrostáticos, máquinas copiadoras, em backlighting de LCD, na instrumentação científica, nos osciloscópios e em muitas outras aplicações que utilizam alta tensão em DC. 6 Experimento LED (Light Emitting Diode) Diodos Emissores de Luz 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 elétrica de energia é chamado eletroluminescência. Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. 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. Dopandose 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. A cor da luz emitida (comprimento de onda) depende, portanto do material semicondutor usado na sua fabricação conforme a Tabela a seguir. 16

17 Os LEDs não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo, podendo-se danificá-los com apenas 5V de tensão nesse sentido. Os LEDs são mais duráveis, mais eficientes do ponto de vista luminoso (mais brilho), não emitem calor e consomem menos energia. Tabela Considere o circuito da Figura 6. Observe que tensão de alimentação de um LED depende de suas características e que variam com o tipo e cor de cada LED. (a) Aplique uma tensão V = 5V em série com um resistor R = 470Ω e utilizando LED s de diferentes cores (vermelho, verde, amarelo) meça a tensão sobre cada LED. (b) Substitua a fonte DC por uma onda quadrada com V=5V P, freqüência de 5 Hz e observe o comportamento do LED. Figura 6 17

18 Aplicações Os LED s possuem uma vasta gama de aplicações na pratica, desde sua indicação luminosa em equipamentos eletrônicos, iluminação residencial até a realização em semáforos e pistas de aeroportos, devido as suas características de luminosidade, eficiência, durabilidade e confiabilidade. Com a substituição dos sistemas de iluminação atual pela tecnologia dos LEDs, principalmente pelos HB-LEDs (High-Brightness LED) - LEDs de alto brilho - teremos grandes reduções no consumo energético global e redução dos custos em manutenção. Os LED s infra-vermelho emitem uma luz que não se vê, e que é usada tipicamente no controle remoto de TV, sistemas de segurança e outros aparelhos. 18