EN 2719 Dispositivos Eletrônicos AULA 05. Aplicações do Diodo. Prof. Rodrigo Reina Muñoz T1 2018

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1 AULA 05 Aplicações do Diodo Prof. Rodrigo Reina Muñoz T1 2018

2 Conteúdo Diodo Zener Portas Lógicas: AND e OR ( E e OU ) Multiplicadores de Tensão Limitadores (Ceifadores) Grampeadores Detector de pico-a-pico Exercícios 2 2

3 Diodo Zener Cuidado: a maioria dos diodos nunca deve operar na região de ruptura (ou avalanche) devido à possibilidade de queima. O Diodo Zener: diodo fabricado para operar em polarização reversa e na região de ruptura nestas circunstâncias o diodo apresenta uma característica de tensão constante para uma faixa de valores de corrente elétrica (Efeito Zener). Importância: seu uso em reguladores de tensão, ou seja, circuitos que mantêm a tensão da carga praticamente constante apesar de variações na tensão da linha e/ou da resistência de carga. 3 3

4 Diodo Zener Na Figura são exibidas a simbologia e parte da curva característica do Diodo Zener. Variando-se o nível de dopagem dos diodos de silício, o fabricante pode produzir Diodos Zener com tensões de ruptura de 2 até 200 V. Estes diodos podem funcionar em qualquer uma das três regiões: direta, de fuga, ou de ruptura. I < I < Zmín Z I Zmáx V Z = cons tan te 4 4

5 Diodo Zener O circuito funcionará como regulador quando a tensão de Thevenin através do diodo for superior à tensão zener. I Z = I I I < I < I = cons tan te S L Zmín Z Zmáx V Z 5 5

6 Diodo Zener Embora a tensão de entrada varie dentro de um certo intervalo, a tensão de saída, V L não se altera pois, V L = V Z. Como, I S = I Z + I L é constante para uma carga específica, R L, as variações da corrente, I S serão compensadas pela I < I < corrente Zener, I Z, obviamente dentro do intervalo. Zmín Z I Zmáx V = R. I + V S S Z s I = I + S I L Z I Z = I Zmín I Z = I Zmáx V = R.( I + I ) + V Smín V = R.( I + I ) + V Smáx S S Zmín Zmáx L L Z Z I = Zmín I 10 Zmáx 6 6

7 Diodo Zener Exercício 1: Calcule a corrente do diodo zener da figura abaixo. Considere: Vs = 40 V; Rs = 820 Ω; Vz = 10 V; RL = 2 k Ω. Resp.: Iz = 31,6 ma. 7 7

8 Resolução do Exercício 1: Diodo Zener 2k V RL = 40 = 28, 4 2,82k V A tensão sobre a carga, sem o Diodo Zener é superior à tensão Zener indicando a possibilidade de regulação I S = = 36, 6mA I L = = 5mA 2k 3 3 I Z = 36, = 31, 6mA 8

9 Diodo Zener Na análise com diodos Zener há vários casos que podem ser considerados: Tensão da fonte fixa e resistência de carga fixa Tensão da fonte fixa e resistência de carga variável Tensão da fonte variável e resistência de carga fixa Tensão da fonte fixa e resistência de carga fixa Este é o caso mais simples. O diodo deve ser retirado do circuito e calcular a tensão sobre R L. Se essa tensão é maior que V z, o diodo estará ligado. V L = V Z = RLVi RL + R Com essa constatação, substituir o diodo por seu circuito equivalente correspondente ao estado ligado ou desligado. 9

10 estado ligado estado desligado 10

11 Diodo Zener Tensão da fonte fixa e resistência de carga variável Neste caso há uma faixa de valores da resistência de carga que garantirá que o diodo Zener esteja ligado. Se R L é muito pequena o diodo estará desligado. A R L mínima pode-se determinar a partir do divisor de tensão: V L = V Z = RLVi RL + R R L min = RVz Vi V z Qualquer valor de R L maior que R Lmin garante que o diodo zener estará ligado!! 11

12 Diodo Zener Esse valor de resistência mínima determina a corrente de carga máxima, I L. A corrente Zener é dada por I z = I R - I L Visto que I R é constante, I z é mínimo quando I L é máximo, e, é máximo quando I L é mínimo. Da equação anterior, considerando I z como sendo I zmáx (I ZM ), tem-se: I Lmin = I R - I ZM Por fim, pode-se determinar o valor de R Lmáx : como: R Lmáx = V I z L min Tensão da fonte variável e resistência de carga fixa Neste caso a tensão da fonte deve ter nível suficiente para ligar o diodo. A tensão mínima da fonte é dada por: V L RLVi RL + R = VZ = Vi min = Vz RL + R RL 12

13 Diodo Zener O valor máximo da fonte é limitado pelo valor máximo da corrente do diodo, I zm. V imax = V Rmax + V z = I Rmax *R + V z Neste caso, I Rmax = I zm + I L Apesar das variações em V i, a tensão do diodo permanece constante como mostra o exemplo da seguinte figura: 13

14 Portas Lógicas: AND e OR A análise do circuito a seguir verificar o seu funcionamento como Porta Lógica O nível lógico 0 corresponde a 0 V O nível lógico 1 corresponde a 10 V A saída é 0 apenas se a entrada for 00 comportamento de uma Porta OR

15 Portas Lógicas: AND e OR A análise do circuito a seguir verificar o seu funcionamento como Porta Lógica A saída é 1 apenas se a entrada for 11 comportamento de uma Porta AND

16 Portas Lógicas: AND e OR Exercício 4: Determine V o do circuito a seguir e determine qual porta lógica implementa. Resposta: V0 = E VD = 9, 3V 16 16

17 Portas Lógicas: AND e OR Exercício 5: Determine V o do circuito a seguir, tendo-se aplicado 10V na entrada 1 e 0V na entrada 2. Resposta: V0 = VD = 0,7V ("0") 17 17

18 Multiplicadores de Tensão Formado por dois ou mais retificadores de pico que produzem uma tensão CC igual a um múltiplo da tensão de pico da entrada (2Vp, 3Vp, 4Vp,...). Aplicações: dispositivos de alta tensão/baixa corrente como os tubos de raios catódicos, circuitos geradores de plasma, etc. Observação: a maioria das análises inicia-se com a condição em que o diodo está diretamente polarizado

19 Multiplicadores de Tensão DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA Durante o semi ciclo positivo, D1 conduz e D2 está cortado. Isto faz com que C 1 se carregue até a tensão de pico V m com a polaridade dada na Figura (a) abaixo. No semi ciclo negativo, D1 está com polarização reversa e D2 conduz, carregando C 2. Nesta situação, somando as tensões da malha (D 1 aberto): Vc 2 = V m + V m = 2V m 19 19

20 Multiplicadores de Tensão DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA No semiciclo positivo C 2 descarrega se houver carga conectada na saída, mas será carregado novamente no semiciclo negativo. Assim, a forma de onda na saída será aquela de um retificador de meia onda com saída filtrada por capacitor. A tensão inversa de pico será 2V m. 20

21 DOBRADOR DE TENSÃO DE ONDA COMPLETA Multiplicadores de Tensão no semi ciclo positivo o capacitor C1 se carrega até a tensão de pico com a polaridade mostrada através de D1 (D2 em corte).no semi ciclo negativo seguinte, o capacitor C2 se carrega até a tensão de pico com a polaridade indicada, e D1 não conduz. A tensão através dos dois capacitores é 2V m. A tensão de pico inversa de cada diodo é de 2V m. com carga conectada a forma de onda é a de um retificador de onda completa

22 Multiplicadores de Tensão TRIPLICADOR E QUADRIPLICADOR DE TENSÃO No semiciclo positivo C 1 carrega até V m através de D 1. No semiciclo negativo C 2 carrega até 2V m. No seguinte semiciclo positivo, C 3 carrega até 2V m. Já no subsequente semiciclo negativo C 4 carrega até 2V m. As tensões impares de V m aparecem na parte superior e pares de V m na parte inferior

23 Limitador LIMITADOR POSITIVO O limitador positivo é um circuito que retira a parte positiva do sinal. A tensão de saída tem todos os semi ciclos positivos cortados. Durante a metade positiva da tensão de entrada, o diodo liga. Idealmente, a tensão de saída é zero, mas, numa segunda aproximação, é de aproximadamente +0,7 V

24 Limitador Há dois tipos de ceifadores: Em série com a carga e em paralelo com a carga (slide anterior). O caso que exige mais cuidado é quando estão presentes fontes de tensão em série com o diodo (limitador polarizado). Exemplos: 24

25 Limitador LIMITADOR POLARIZADO O limitador polarizado da figura abaixo pode deslocar o nível de corte para (V + 0,7V). Quando a tensão de entrada for maior do que (V + 0,7V), o diodo conduzirá e a saída será mantida em (V + 0,7V). Quando a tensão de entrada for menor do que (V + 0,7V), o diodo abrirá e a saída será a tensão sobre RL (divisor de tensão). A resistência de carga deve ser muito maior do que a resistência em série

26 Limitador ASSOCIAÇÃO DE LIMITADORES Você pode combinar limitadores com as polarizações positiva e negativa. O diodo D1 liga quando a tensão de entrada excede (V1 + 0,7V); este é o nível positivo de supressão. Analogamente, o diodo D2 conduz quando a entrada é mais negativa do que (V2 + 0,7V); este é o nível negativo de supressão. Quando Vp for muito maior do que os níveis de supressão, o sinal de saída se assemelhará a uma onda quadrada

27 Limitador ASSOCIAÇÃO DE LIMITADORES (mais exemplos) 27

28 Grampeador GRAMPEADOR POSITIVO O grampeador CC soma uma tensão CC ao sinal (deslocamento de nível). O grampeador utiliza capacitor. A excursão total do sinal de saída é igual à excursão total do sinal de entrada

29 Grampeador GRAMPEADOR POSITIVO No primeiro semi ciclo negativo, o diodo conduz. O capacitor se carrega até Vp (pico negativo) com a polaridade indicada. Um pouco depois do pico negativo, o diodo desliga. A constante de tempo R L C é muito maior do que o período T, de tal forma a manter o capacitor carregado e, portanto, funcionando como uma bateria de Vp

30 Grampeador GRAMPEADOR POSITIVO Como o diodo produz uma queda de 0,7 V ao conduzir, a tensão do capacitor praticamente não chega a Vp. Por isto, ocorre picos negativos de -0,7 V

31 Grampeador Exercício 7: Desenhe o circuito de um Grampeador Negativo. Resposta: Inverte-se o diodo e, portanto, a polaridade da tensão do capacitor se inverte

32 Detector de Pico a Pico Ao se colocar em cascata um grampeador CC e um filtro capacitivo, obterá um detector de pico a pico. A senóide de entrada é grampeada positivamente, portanto a entrada do filtro capacitivo terá um valor de pico de 2 Vp. Esta é a razão da saída do detector de pico ser uma tensão CC igual a 2 Vp

33 Aplicação Carregador de bateria Saída do carregador de bateria com carga aplicada. V pico = 3,3 div * (5 V/div) = 16,5 V V cc = 0,636 V pico = 10,49 V. 33