CAPÍTULO 4 DIODOS COM FINALIDADES ESPECÍFICAS

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1 CAPÍTULO 4 DODOS COM FNALDADES ESPECÍFCAS Este capítulo discute a aplicação de alguns diodos especiais, com características específicas. São estes o diodo zener (usado como regulador de tensão) e o diodo emissor de luz denominado LED. Diodo Zener O diodo zener é um diodo diferente: ele é feito para trabalhar em polarização reversa, ou na região de ruptura, ao contrário dos outros diodos comuns. Este diodo pode funcionar em qualquer das regiões: direta, de fuga ou de ruptura. Na região direta ele começa a conduzir por volta dos 0,7V, exatamente como um diodo de silício comum. Na região de fuga (entre zero e a ruptura) ele apresenta apenas uma pequena corrente de fuga ou reversa. De acordo com a curva do diodo zener, mostrada na Figura 4.1, a ruptura tem um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente vertical. Observamos que a tensão é praticamente constante, aproximadamente igual a tensão do zener para toda a região de ruptura. O diodo zener às vezes é chamado diodo regulador de tensão porque mantém uma tensão de saída constante, mesmo que a corrente que passa por ele varie, desde um valor mínimo ( Zmin ) até um valor máximo ( Zmax ). Figura 4.1 Curva de corrente () contra tensão (V) para um diodo zener. Abaixo, segue a tabela com as medidas de corrente para as respectivas medidas de tensão em um circuito série contendo um diodo zener de 4,7V polarizado diretamente, um resistor de 1kΩ/(1/4W) e uma fonte de fem (variável, na realidade). O diagrama do circuito também é mostrado na Figura 4.2, a qual também apresenta a simbologia para o diodo zener. O aspecto do mesmo se assemelha ao do diodo semicondutor de silício (estudado no capítulo anterior) na maneira de identificar seus terminais (anodo e catodo), exceto que seu invólucro é de cor mais clara (e não opaco). 1

2 Polarização Direta: ε(volts) (ma) 0 0 0, ,13 2 1,11 3 2,07 4 3,10 5 4,10 Figura 4.2 Diodo em polarização direta. Abaixo, segue a tabela com as medidas de corrente para as respectivas medidas de tensão no circuito da Figura 4.2, porém considerando o diodo zener de 4,7V polarizado reversamente. O diagrama do circuito é mostrado na Figura 4.3. Polarização eversa: ε(volts) (ma) 0 0 0, , ,13 4 0,64 5 1,33 Figura 4.3 Diodo em polarização reversa. Do experimento com o diodo zener em polarização direta, vemos que tal passa a conduzir corrente somente próximo aos 0,7V, tal como a tensão de limiar de um diodo semicondutor de silício típico. Já com o diodo zener em polarização reversa, quase não houve condução significativa de corrente, como era de se esperar. egulação de Tensão Sendo o diodo zener um denominado diodo regulador de tensão, em funcionamento normal, você tem que reverter a polarização do diodo zener, conforme vimos antes. Além disso, para produzir a ruptura, a tensão da fonte deve ser maior do que a tensão zener de ruptura V Z. Neste caso, usa-se um resistor S em série para limitar a corrente zener num nível abaixo da sua especificação de corrente. Caso contrário, o diodo zener queima. Figura 4.4 Circuito com o diodo em polarização reversa. 2

3 Com base na Figura 4.4, temos pela lei das malhas que a tensão pelo resistor em série S é igual à diferença entre a tensão da fonte e a tensão zener ( VS VZ ). Portanto, a corrente que passa pelo resistor é sendo esta também a corrente do diodo zener. S VS VZ =, (4.1) S Especificações Máximas A potência dissipada em um diodo zener é igual ao produto da sua tensão pela sua corrente, isto é, P Z = VZ Z. (4.2) Desde que P Z seja menor do que a especificação de potência, o diodo zener pode funcionar na região de ruptura sem ser destruído. Os diodos zener comercialmente disponíveis têm especificações de potência que variam de 1/4W até mais de 50W. A potência máxima P MZ que um diodo pode suportar está relacionada com sua corrente máxima ZM pela relação P MZ = VZ MZ. (4.3) esistência Zener Quando um diodo zener está funcionando na região de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. sto implica que o diodo zener tenha uma pequena resistência chamada de resistência zener Z ou impedância zener Z Z. Figura 4.5 esistência zener. Um regulador zener é quase ideal quando satisfaz estas duas condições: Z 0, 01 S e Z 0, 01 L. Na primeira condição ( Z 0, 01 S ), o regulador zener reduz as variações de tensão da fonte, incluindo a ondulação. Na segunda condição ( Z 0, 01 L ), o regulador zener apresenta-se para a carga como se fosse uma fonte de tensão quase ideal. 3

4 Aproximações para o Diodo Zener Há duas aproximações para o diodo zener. Na primeira aproximação, um diodo zener funcionando na região de ruptura se comporta como uma bateria ideal. Em um circuito, isto significa que você pode substituir mentalmente um diodo zener por uma fonte de tensão V Z, desde que o diodo esteja funcionando na região de ruptura. Em uma segunda aproximação, consideramos uma resistência zener (relativamente pequena) em série com uma bateria ideal. Esta resistência produz uma queda de tensão cada vez maior à medida que a corrente aumenta. A Figura 4.6 ilustra essas aproximações. Figura 4.6 Aproximações zener. O egulador Zener O circuito da Figura 4.7 mostra um diodo zener usado para regular a tensão através da resistência de carga L. Figura 4.7 Circuito com regulador zener. sto parece mais complicado, pois o circuito tem duas malhas, ao contrário dos anteriores. Porém, a idéia básica é a mesma: o diodo zener funciona na região de ruptura e mantém a tensão de carga praticamente constante. Para estes casos, usamos as seguintes relações: 1) Tensão Thevenin: para o funcionamento na região de ruptura do diodo zener, V TH deve ser maior do que V Z. A tensão Thevenin V TH é dada por V TH + L = VS. (4.4) S L 2) Corrente em Série: a corrente através do resistor em série é dada por 4

5 3) Corrente de Carga: como VL VZ, então: S VS VZ =. (4.5) S V L = L. (4.6) L 4) Corrente Zener: pelo fato do circuito ser composto de duas malhas, a corrente em série se divide na junção entre o zener e o resistor de carga. Assim: Z = S L. (4.7) Ponto de Desligamento do Zener O pior caso de funcionamento do diodo zener ocorre quando trabalhamos com a tensão mínima da fonte e a corrente máxima de carga, porque a corrente zener cai para um mínimo. Neste caso, usamos S (max) VS (min) VZ =, (4.8) L(max) na qual S(max) é o valor crítico da resistência em série, V S(min) é a tensão mínima da fonte, V Z é a tensão zener e L(max) é a corrente de carga máxima. A resistência crítica S(max) é a máxima resistência em série permitida. A resistência em série S deve ser sempre menor que o valor crítico. Caso contrário, se perde o funcionamento na região de ruptura e o regulador pára de funcionar. EXEMPLOS 1. Dado o circuito pede-se: Vs = 30V Vz =12V s = 500Ω L = 1kΩ a) Mostrar que o zener liga. Para o funcionamento correto do diodo zener como regulador de tensão, a tensão Thevenin V TH deve ser maior do que V Z. Logo, V L 1kΩ 30V = VS = (30V ) = = V. S + L 1kΩ + 0,5kΩ 1,5 TH 20 Como V TH > Vz, o zener liga. 5

6 b) Qual o valor da corrente de carga? V = Vz = L 12V = = 1kΩ L L 12 L c) Qual a potência do zener? Pz = Vz z Mas z =? Pela 1ª Lei de Kirchhoff: = z + T L Mas T é igual a S. Logo, T = s = z + Assim: z = s L L Mas S =? Pela 2ª Lei de Kirchhoff: Vs = VS + Vz Vs = s S + Vz Vs Vz = s S s S = Vs Vz Vs Vz = s ma 30V 12V 18V = = = 500Ω 0,5kΩ S 36 Agora, z = 36 ma 12mA = 24mA Portanto, Pz = ( 12V ) (24mA) = 288mW. ma 2. Dado o circuito, pede-se: 6

7 Vs = 20V a 30V Vz = 15V L = 100Ω a 500Ω Qual o valor de s? Sabemos que s deve ser menor do que s max, que é o valor crítico do resistor série, o qual é determinado por Pelos dados fornecidos, vemos que: S (max) V = S (min) V L(max) Vs min = 20V; Vs max = 30V; Vz =15V; L min = 100Ω; L max = 500Ω. Mas Lmax =? VL Vz 15V L(max) = = = = 0,15 A = 150mA L(min) L(min) 100Ω Logo, S (max) VS (min) VZ 20V 15V 5V = = = = 33, 33Ω L(max) 0,15A 0,15A Como s < s max, o valor padrão imediatamente abaixo deste é de 27Ω. Mas também, poderíamos usar até mesmo um de 22Ω. Portanto: s = 27Ω ou, ainda, s = 22Ω. Z Diodo Emissor de Luz - LED O diodo emissor de luz, conhecido como LED 1, tem uma curva tensão versus corrente semelhante a de um diodo de silício atuando na região direta e reversa. A principal diferença é que a tensão de joelho do LED tipicamente varia entre 1,5V a 2,5V para baixas correntes, entre 10mA e 50mA. sto porque esta faixa produz luz o suficiente para a maioria das aplicações. A queda de tensão exata depende da corrente e da cor deste componente. Alguns exemplos de leds coloridos (de 5mm aproximadamente) são mostrados na Figura 4.8, bem como alguns detalhes técnicos e aspecto dos mesmos. 1 Do inglês light emitting diode. 7

8 (a) (b) Figura 4.8 (a) LEDs coloridos. (b) Detalhes da construção do mesmo e alguns aspectos. Num diodo com polarização direta, a medida que os elétrons caem de um nível mais alto de energia para um mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns essa energia é dissipada na forma de calor. Mas no diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs, componentes optoeletrônicos, substituíram as lâmpadas incandescentes em várias aplicações devido a sua baixa tensão, vida longa e rápido chaveamento liga-desliga. Abaixo, segue a tabela com os valores de corrente medidos para os respectivos valores de tensão e o esquema elétrico do circuito usado numa experiência com um diodo emissor de luz (LED) de cor vermelha, um resistor de 1kΩ / 1/4W e uma fonte de tensão variável. No símbolo esquemático do LED, as setas indicam a luz irradiada. Polarização Direta: ε(volts) (ma) ,5 0,01 2 0,25 3 1,16 4 2,13 5 3,13 6 4,00 Figura 4.9 Circuito com LED polarizado diretamente. 8

9 Polarização eversa: ε(volts) (ma) , Figura 4.10 Circuito com LED polarizado reversamente. A corrente do LED em polarização direta, no circuito da Figura 4.9 pode ser determinada por: LED VLED = ε, (4.9) onde ε é a fem da fonte e V LED é a tensão do LED. Em um diodo com polarização direta, a medida que os elétrons caem de um nível mais alto de energia para um mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns essa energia é dissipada na forma de calor. Mas no diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs, componentes optoeletrônicos, substituíram as lâmpadas incandescentes em várias aplicações devido a sua baixa tensão, vida longa e rápido chaveamento liga-desliga. Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a passagem da luz. Os LEDs são diferentes. Usando-se elementos como o gálio, o arsênio e o fósforo, um fabricante pode produzir LEDs que irradiam no vermelho, no verde, no amarelo, azul, laranja ou infravermelho (invisível). Orientação para Projeto com LED O brilho de um LED depende da corrente. dealmente, a melhor forma de se controlar o brilho de um LED é vincular este a uma fonte de corrente. A melhor maneira de se obter uma fonte de corrente é uma fonte de elevada tensão seguida de um resistor em série apropriado. Se você tiver que fazer algum projeto, precisa consultar as folhas de dados, porque as tensões do LED têm uma grande tolerância. Quanto maior a fonte de tensão, menor o efeito que V LED produz. EXECÍCOS POPOSTOS 1. Dado o circuito pede-se: Vs = 20V; Vz =10V; s = 100Ω; L = 200Ω a) Mostrar que o zener liga. b) Qual o valor da corrente de carga? c) Qual a potência do zener? 9

10 2. Dado o circuito pede-se: Vs = 22V a 40V; Vz =15V; s = 1kΩ a 50kΩ. Qual o valor de s? 3. Dado o circuito pede-se: Vs = 40V; Vz = 10V; s = 1,5kΩ; L = 10kΩ Qual o valor de V L se: a) O zener estiver em curto? b) O zener estiver aberto? c) s estiver aberto? d) L estiver em curto? 4. Dado o circuito pede-se: Vs = 13V; Vz = 10V; L = 2k2 a) Qual o valor de s? b) Qual a potência do zener Pz e do resistor em série P S? 5. Dado o circuito pede-se: Vs = 15V; Vz = 5,1V; L = 180Ω a) Qual o valor de s, Pz, P S e P L? b) Se s = 15Ω, qual o novo valor de z e Pz? 6. Dado o circuito pede-se: Vs = 9V; Vz = 6,2V; L = 100mA Qual o valor de s? 7. Dado o circuito pede-se: Vs = 24V Vz = 7,5V V LED = 2V L = 180Ω Qual o valor de s, P S, L, P L e Pz? 10

11 8. Dado o circuito pede-se: V1 = 220Vac; V2 = 15Vac; Vz =12V; L = 200Ω a 500Ω; f1 = 60Hz; V D1 = V D2 = V D3 = V D4 = 0,7V; Considerar os efeitos do V ond na tensão cc do circuito. a) Qual o valor de s? b) Qual o valor de C? c) Qual o valor de corrente limite para o fusível? ESPOSTAS DOS EXECÍCOS POPOSTOS: 1. a) liga; b) 50mA; c) 500mW; Ω; 3. a, c, d) 0; b) 34,78V; 4. a) 560Ω; b) P S = 16,1mW e Pz = 8,12mW; 5. a) s = 330Ω, Pz = 8,5mW, P S = 297mW e P L = 144,5mW; b) z = 632mA e Pz = 3,22W; 6. 22Ω; 7. s = 470Ω; P S = 579mW; L = 30,5mA; P L = 168mW; Pz = 34,13mW; 8. a) 100Ω; b) 265µF c) 5,5mA. 11