ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 1 DIODOS SEMICONDUTORES

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1 ELT313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 1 DIODOS SEMICONDUTORES OBJETIVOS Testar diodos utilizando multímetro digital. Desenhar a curva característica tensão vs. corrente. Medir tempo de recuperação reversa - t RR. LISTA DE MATERIAL Fonte de tensão contínua ajustável 15V/1A Multímetro digital Osciloscópio de dois canais Gerador de funções Resistor 1/3 W, 5%, 1 kω(1) 10 kω(1) 100 kω(1) 1 MΩ(1) Potenciômetro 4k7 ou 10 kω Diodos semicondutores 1N4001/1N retificador (1) 1N retificador rápido (1) 1N758/C10 - zener 10V, 400mW (1) LED (1) ESPECIFICAÇÕES DO DIODO Diodo é o termo utilizado para dispositivo eletrônico de dois terminais (eletrodos). Diodos semicondutores de silício, não necessariamente elementos de apenas uma junção, são designados por 1Nxxxx. Diodos retificadores são componentes eletrônicos de dois terminais com a propriedade de permitir a passagem de corrente em apenas um sentido. Diodo retificador semicondutor é constituído de apenas uma junção PN, Para utilizar o diodo retificador devemos verificar, no mínimo, as seguintes especificações: Tensão (PIV, VRR) Corrente (eficaz, média, pico) Potência (média, pico) Resistência térmica e dissipador de calor. O valor máximo de corrente que o diodo pode conduzir, que deve ser menor que o máximo absoluto (maximum ratings), é limitado pela máxima temperatura suportável pela junção (125 o C a 200 o C). Em regime de operação contínuo esta temperatura pode ser calculada da seguinte forma. Θ J =Θ A + P D. RΘ( J A) Θ J = Temperatura da Junção o C Θ A = Temperatura Ambiente o C P D = Potência Dissipada W R Θ(J-A) = Resistência Térmica entre junção e ambiente o C/W Quanto maior a corrente, maior será a dissipação de potência no diodo. A potência média dissipada no diodo pode ser calculada pela seguinte equação: 2 P D(av) = R t.i D(RMS) +V t.i D(Av) A resistência térmica depende da montagem, do tamanho do dissipador de calor e da ventilação disponível. Quanto maior o dissipador de calor, menor será esta resistência térmica. Em regime pulsado ou em ciclos intermitentes, o cálculo da temperatura da junção é muito mais complexo. Recomendamos a leitura dos manuais fornecidos pelos fabricantes de diodos. Para diodos retificadores de potência devemos especificar: tensão reversa de pico repetitivo e não repetitivo, corrente eficaz, média, de pico repetitivo e não repetitivo, corrente de sobrecarga, corrente de surto, di/dt, dv/dt, I 2 t, tempo de comutação ou recuperação, corrente reversa, queda de tensão direta, carga de recuperação reversa, etc. Devemos ainda especificar o dissipador de calor, o circuito snubber e fusíveis. Na Tabela abaixo temos alguns valores típicos para diodos de potência. I FAV A I FSM (Tj=25 o C) A I FSM (Tj=125 o C) A I 2 t (Tj=125 o C) A 2 s I R (Tj=125 o C) 2,5 9 ma V F (Tj=25 o C) 1,85 (75A) 1,35 (600A) Vt 0,85 0,8 V Rt 15 0,8 mω R thjc I TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES V o C/W Podemos testar um diodo rapidamente através de um multímetro. Na maioria dos casos podemos verificar se o diodo está queimado ou não. ATENÇÃO: Nos multímetros digitais devemos utilizar a escala especial para teste de diodos. Se o teste do diodo indicar a mesma leitura em ambas direções (menor que 0.5) provavelmente esta junção estará em curto-circuito. Por outro lado, se indicar OL em ambas direções, esta junção estará aberta ou tratase de outro elemento. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 1

2 ATENÇÃO: Nos multímetros digitais a tensão produzida na função RESISTENCIA (Ω) é menor que 0,2V, menor que a barreira de potencial do diodo, portanto indicará ABERTO (over load) nas duas direções (ou polaridades). Nos multímetros analógicos o teste é feito na escala de resistência. O resultado será oposto ao do DMM uma vez que a polaridade dos terminais do Ohmimetro é invertida. O terminal negativo da bateria está conectada ao terminal (+) ou (V/Ω) do multímetro analógico Testar os diodos semicondutores utilizando dois multímetros digitais diferentes. Siga o procedimento conforme manual de operação do multímetro: Utilizar a escala especial para teste de diodos. Ligar a ponta de prova vermelha ao conector (V/Ω) e a ponta de prova preta ao conector (COM) do DMM (Digital MultiMeter). Conectar a extremidade da ponta de prova vermelha (+) ao anodo do diodo e a extremidade da ponta de prova preta (-) ao catodo do diodo. ATENÇÃO: NUNCA tocar na parte metálica da ponta de prova Desta forma o diodo estará polarizado diretamente. O multímetro deverá indicar um valor entre 0.6 e 0.8. Este valor é a barreira de potencial do diodo e depende do diodo testado e principalmente da corrente de teste fornecida pelo multímetro (entre 0,5 e 2mA). Polarizando o diodo reversamente, terminal vermelho no catodo e terminal preto no anodo do diodo, o multímetro indicará Over Load (ou 1.) DMM Diodo direto reverso direto reverso 1N4001 1N4148 1N758 LED ATENÇÃO: Graves acidentes ocorrem com o multímetro imprudentemente esquecido na função amperimétrica. Se um curto-circuito for provocado, o multímetro poderá explodir, dependendo da qualidade do fusível de proteção utilizado no multímetro e da potência de curto-circuito da fonte de tensão. II - CURVA CARACTERÍSTICA Polarização direta O procedimento para obter a curva característica do diodo na polarização direta é medir a tensão no diodo para vários valores de corrente. O método utilizado depende do tipo de fonte de corrente contínua disponível. Pode ser uma fonte de corrente ou uma fonte de tensão, fixa ou ajustável. Se a fonte de tensão for fixa será necessária a utilização de potenciômetro. O método apresentado na Figura 2 utiliza uma fonte de tensão ajustável em série com um resistor. O valor da resistência depende da faixa do valor da corrente desejada. R =1MΩ COM V/Ω COM V/Ω Figura1 - Teste de diodo Os LED s apresentam uma barreira de potencial superior a 2 V, limite na maioria dos multímetros digitais, portanto o teste indicará Over Load mesmo na polarização direta. Porém será possível observar uma pequena emissão de luz. Figura 2 - Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização direta - Tensão real. ATENÇÃO: Devido ao baixo valor da tensão a ser medida recomenda-se utilizar a configuração tensão real ou curta derivação. Medir e anotar os valores de Vd para os valores de Id indicados na Tabela 1. Observe que a faixa de varredura da corrente é muito alta 20mA/2uA=10.000:1, ou seja, quatro décadas. Por este motivo adotamos uma varredura logarítmica com sequência UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 2

3 Calcular a resistência dinâmica do diodo r d somente para alguns pontos. V r d = I corrente que circula no Voltímetro e não no diodo, uma vez que a corrente reversa do diodo não ultrapassa algumas dezenas de na (10-9 A). R =1kΩ Para corrente de 10µ considere os valores para 5µA e 20µA Compare este resultado com a equação 25mV r d = I D Calcular o valor real da corrente no diodo quando o amperímetro indicar 1mA. Considere 10MΩ como resistência do voltímetro. Tabela 1 R Id Vd rd E Ω A V Ω V 1M 2µ - 5µ - 10µ 100k 20µ - 50µ - 100µ 10k 200µ - 500µ - 1m 1k 2m - 5m - 10m m - Figura 3 - Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização reversa Corrente real. ATENÇÃO: Devido ao alto valor da resistência do diodo na polarização reversa, recomenda-se utilizar a configuração corrente real ou Longa Derivação. Tabela 2 E Vr I R I R ** V V ua ua 5,0 10,0 15,0 **com voltímetro em paralelo ao diodo Construção do gráfico Com os dados da Tabela 1, desenhe a curva característica I x V em gráfico linear (Figura 4) utilizando duas escalas para o eixo Y (200uA e 20mA) e em gráfico logarítmico (Figura 5). Desenhar, no gráfico linear, a reta de carga para E=2V e R= 200Ω, 400Ω Desenhar um circuito alternativo com fonte de alimentação fixo Vcc=+15V para realizar esta experiência. Polarização reversa Na polarização reversa o procedimento deve ser o- posto ao da polarização direta. Agora devemos medir a corrente para vários valores de tensão. Montar o circuito da Figura 3 - basta inverter a polaridade do diodo. Medir e anotar os valores de I R e V R para os valores de E indicados na Tabela 2. **Verificar o efeito de carregamento provocado pelo voltímetro configurado como tensão real medindo a corrente com e sem o voltímetro conectado em paralelo ao diodo. Esta corrente é na realidade a UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 3

4 mA 10mA 1A 1.0A I F [A] R=20kΩ 100mA 0.7 R= mA R=2Ω mA uA Kazuo Na kas hi ma ja n uA Kazuo Na kas hi ma ja n V F [V] V(VF) [V] Figura 4 - Curva característica do diodo na polarização direta gráfico linear Figura 5 - Curva característica do diodo na polarização direta gráfico logarítmico UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 4

5 III- Influência da TEMPERATURA (OPCIONAL) Retornar o diodo à condição de polarização direta, Figura 2, com R=1 kω e E=10 V. Medir e anotar na Tabela 3 os valores de corrente e tensão direta no diodo. ATENÇÃO: Para realização desta experiência seria interessante manter a corrente direta I F constante. Na ausência de uma fonte de corrente utilize uma fonte de tensão com o maior valor de tensão possível (15V a 50V) e uma resistência em série (de 15kΩ a 50kΩ respectivamente). Uma corrente de 1,0mA produzida por uma fonte de tensão de 15V em série com um resistor de 15kΩ é mais estável que a produzida por uma fonte de 1V em série com um resistor de 0,5kΩ. Tabela 3 temperatura V F [mv] I F [ma] Canal CH1 (eixo X) tensão do diodo; Canal CH2 (eixo Y) tensão no resistor Ajuste a amplitude da onda triangular em 20V pico a pico (sem off set) e observe a curva na tela do osciloscópio Desenhe a curva na Figura 7 com Y=5V/DIV-DC e com X=5V/DIV-DC ou X=0,5V/DIV-DC. Resfriado Ambiente Aquecido IV- CARACTERÍSTICA I X V OBTIDA COM O OSCILOSCÓPIO Para observar a curva característica do diodo através do osciloscópio basta configurar o circuito como retificador, utilizando um transformador ou um gerador de sinais com GND isolado, e conectar o osciloscópio conforme a Figura 6. Atenção: Isolar o GND de um dos instrumentos, osciloscópio ou gerador de funções, utilizando um plug a- daptador para o cabo de força. Lembre-se que o terceiro pino do cabo de força está ligado à carcaça e ao GND do equipamento. Figura 7- Curva característica do diodo. V - RECUPERAÇÃO REVERSA O diodo não passa do estado de condução para o estado de bloqueio instantaneamente. Por alguns instantes (nanosegundos) o diodo conduz reversamente. Utilize o esquema apresentado na etapa anterior (Figura 6) com gerador de sinais isolado da rede de alimentação. A freqüência deve ser ajustada entre 60Hz e 6kHz. O osciloscópio deve ser ligado como indicado na Figura 6. CH1 observará a forma de onda da tensão no diodo enquanto que o canal CH2 (INVERTIDO) observará a corrente (tensão sobre R1). Observar as duas ondas no tempo na freqüência de 60Hz e depois em 6kHz. Medir o tempo de recuperação reversa diodo retificador phase control 1N4007 e do diodo retificador de comutação rápida 1N4148. t RR catálogo medido 1N4007 1N4148 Figura 6 - Circuito para observação da curva característica do diodo retificador com osciloscópio. Ajuste o osciloscópio no modo X-Y com o canal 2 IN- VERTIDO e com os eixos no centro da tela. UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 5

6 VI - FONTE DE TENSÃO E FONTE DE CORRENTE O diodo retificador é o dispositivo semicondutor mais elementar da eletrônica, porém não devemos subestimar sua potencialidade e a dificuldade para analisar circuitos com diodos. A análise de circuitos com diodos está longe de ser fácil e direto uma vez que ele é um elemento NÃO LINEAR. Um exemplo interessante é apresentado na Figura 10. Os dois circuitos aparentemente semelhantes apresentam resultados totalmente diferentes. Figura 8- Oscilograma da condução reversa no diodo 1N4001 Mude a forma de onda para QUADRADO e desenhe a forma de onda observada. Figura 10- Fonte de corrente e fonte de tensão. No circuito (A), com fonte de tensão, apenas o diodo D1 conduz. A tensão na carga é a tensão maior V1 menos a queda de tensão em D1 (consideramos V D1 =0,8V). No circuito (B), com fonte de corrente, os dois diodos conduzem. A corrente na carga é a soma das duas correntes (10mA+5mA=15mA), independente do diodo e da carga. Teremos 15V na resistência de 1 kω. Poderíamos dizer que uma fonte de tensão tem comportamento oposto ao da fonte de corrente. Eles são duais. Figura 9 - Recuperação reversa do diodo retificador para onda quadrada 1N4001 Itajubá, MG, janeiro de , 2008 UNIFEI/ IESTI - Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Jr 6