UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C -- Prof.ª Elisabete N Moraes AULA 6 DIODO ZENER E DIODO LED Em 26 de agosto de 2016. TIPOS DE DIODOS Créditos: http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/diodo/diodo.htm 2 1
DIODO ZENERREGIÃO DE RUPTURA Corrente de saturação Polarização Inversa Região de ruptura VZ, VBR,VR -tensão zener -tensão breakover -tensão de ruptura Região de saturação Tensão de Corte: Corrente direta desprezível ID -corrente direta -corrente forward (IF) Corrente de saturação Is Is:corrente saturação, reversa Vj -tensão joelho -tensão threshold (Vth/VT) -tensão de limiar (V) Boylestad: seção 1.6, p.10, seção 1.14 e seção 2.11 Sedra: seção 3.6 3 DIODO ZENER O diodo Zener é fabricado para operar em tensões além da tensão de ruptura, na região de ocorrência dos efeitos Zener/Avalanche. Nesta região a curva característica I = f(v) se aproxima de uma reta de coeficiente angular 1/r Z muito pequeno o que leva a pequena variação de tensão para uma ampla faixa de variação de corrente. Sua construção difere pelo nível de dopagem e área da junção. Fortemente dopado o que torna a tensão de ruptura (Vz) bem menor que nos diodos convencionais. A área da junção é aumentada o que facilita a dissipação da potência. Opera em polarização reversa Símbolo AK KA Tensão de zener (V K Z = 27 V) K A K A A Tensão de zener (V Z = 8,2 V) 4 2
Efeito de zener: DIODO ZENER Ao polarizar um diodo zener com uma tensão reversa igual a Vz há o rompimento das ligações covalentes no semicondutor, esse efeito se chama ruptura zener e depende do grau de dopagem do material semicondutor. Efeito de avalanche: Com o aumento da tensão reversa sobre o diodo, ocorre um aumento da velocidade das cargas elétrica (energia cinética) no semicondutor. Esse aumento de velocidade faz com que os choques dos elétrons livres contra a rede cristalina produza energia suficiente para libertar elétrons da camada de valência (ionização). O elétron que foi libertado também é acelerado, colide com a rede cristalina, libertando outros elétrons, isso da origem a uma reação em cadeia conhecida com efeito avalanche. A localização da região Zener pode ser controlada pelo nível de dopagem. O aumento da dopagem ( impurezas) diminui o potencial Zener Boylestad, p. 25 5 MODOS DE OPERAÇÃO DO ZENER (BOYLESTAD P. 63) Polarização Reversa + 1) Se a tensão de operação (Vop) estiver entre 0V e Vz. 0 < Vop < Vz Funciona como uma chave aberta. Polarização Direta - - + 2) Se a tensão de operação (Vop) for maior que a tensão de zener (Vz). Vop > Vz Funcionamento semelhante ao do diodo semicondutor. Vz REGULADOR DE TENSÃO Funciona como uma fonte de tensão de módulo Vz. 6 3
CURVA CARACTERÍSTICA (SEDRA P. 165) Grandezas relacionadas ao componente: 1. VZ tensão zener. Tensão no ponto de operação (quiescente). 2. IZT valor particular de corrente de teste. No ponto de operação VZ. 3. VZK tensão de joelho (knee). 4. VZ0 ponto em que a reta de inclinação 1/r z intercepta o eixo da tensão. 5. Pz potência máxima de zener. Consideração para cálculos de 4 circuitos com o diodo zener: 1 3 P V I Z max Z Z max Adota-se que a corrente mínima no zener é 10% da I z max. 2 Ex: Zener de 5V1/400mW I I I Z max Z max Z P / V Z Z 0,4 / 5,1 78,43mA (0,1).(78,43m) 7,84mA 7 SOLUÇÃO DE CIRCUITOS (BOYLESTAD P.63) 1- Verificação do estado do diodo Zener: Para isso, remova-o do circuito e calcule a tensão do circuito aberto. Utilize o divisor de tensão. 2- a) Se V > Vz o zener está ligado. 3- Se o zener estiver na condição ligado, b) Se V < Vz o zener está desligado substitua-o por uma fonte com tensão equivalente a VZ e, resolva o circuito. - 4- Para o dimensionamento do resistor absorvedor/limitador, adota-se a regra prática de que a corrente no zener é 10% da Imáx Iop zener = 0,1 Imáx 8 4
EXEMPLO VI E R FIXOS A tensão de 8,73V é menor que 10V (VZ), portanto o diodo está na condição desligado. Solução (a) para RL = 1,2k) 2) O restante do cálculo segue como um circuito série. 1) Condição do zener: determinar a tensão de circuito aberto, se Vop < Vz o zener NÃO está operando como regulador de tensão. 9 Solução (b) para RL = 3k) CONT. EXEMPLO 2.26 3) Determinação da corrente de carga (IL). 3k 4) Corrente no resistor série (IR). Diferença das tensões Vi e VL (=Vz). 1) Condição do zener: determinar a tensão de circuito aberto, se Vop > Vz o zener ESTÁ operando com regulador de tensão. 5) Corrente no zener (IZ). Diferença das correntes IR e IL. (Boylestad) 6) Potência de operação do zener (PZ). 2) Nessa situação a tensão na carga será igual a tensão de zener. OBS: o valor da potência definida no exercício PZM indica a potência máxima do componente. Sendo esse valor usado para eventual determinação da máxima corrente de operação do zener (IZM). 10 5
Vi fixo e RL variável 1) Carga (RL) que garante que o zener permaneça no estado ligado. Isolando tem-se RLmin. CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO RL fixo e Vi 1)Tensão mínima na carga (RL) que garante que o zener permaneça no estado ligado. Isolando tem-se Vi. 2)O valor mínimo de RL implica em uma ILmax : 2)Tensão máxima da fonte é limitada pela corrente máxima de zener (IZM =IR - IL), 3) A tensão no resistor série quando o zener está ligado: 4) A corrente no resistor série: 3) A tensão da fonte Vi é definida por: 5) A corrente no zener: 6) Corrente mínima para a carga: IZMin fornecido na folha de especificações 7) Resistência máxima da carga: 11 DIODO EMISSOR DE LUZ-LED (BOYLESTAD SEÇÃO 1.15) Dispositivo optoeletrônico que é formado por uma junção PN que ao ser diretamente polarizada, faz com que os elétrons cruzem a barreira de potencial e se recombinem com as lacunas, ao se recombinarem, há a emissão de energia na forma de luz visível fóton. Dispositivo para a sinalização com a vantagem de confiabilidade, reduzido tamanho e manutenção, os LED'S (Light Emitting Diodes) representam grande economia e energia em relação às lâmpadas convencionais. Simbologia usuais: Arsenieto de Gálio - GaAs A identificação dos terminais do led: chanfro catodo-k terminal comprido anodo-a Créditos: Wikipédia 12 6
TIPOS DE LED Alto Brilho: luz direcionada, encapsulamento incolor, monocromático. Aplicação em painéis e sinalização indoor ou outdoor. Convencional: encapsulamento colorido difuso, baixo custo, baixo consumo e longa vida útil. Luzes indicativas em painéis em geral. Display de 7 segmentos Bicolor: encapsulamento incolor ou leitoso, anodo ou catodo em comum. Aplicação em painéis de sinalização, iluminação back light em botoeiras automotivas. Power led: alto fluxo luminoso com baixa potência consumida, diversas cores,amplo campo de emissão de luz, custo elevado. Fita/Barra de Led http://dreamfeel.wordpress.co m/2010/03/08/novas-formasde-iluminacao-leds-rgb/ 13 ORGANIC LED (OLEDS) Construído com materiais orgânicos camadas de compostos carbônicos, compostos por moléculas de carbono que emitem luz ao receberem uma carga elétrica. As moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a superfície a ser utilizada. São acrescentados os filamentos metálicos que conduzem os impulsos elétricos a cada célula. É flexível, fino e com qualidade superior de reprodução de imagens. Fonte: Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987); doi: 10.1063/1.98799 Fonte: Shionoya, Shigeo e Kobayashi, Hiroshi. Organic Electroluminescent Diodes. Springer Proceedings in Physics. 1989 O OLED é uma superfície luminosa ao contrário do led que se caracteriza por um ponto luminoso. A tela orgânica possui luz própria, com isto não necessita de luz de fundo ou luz lateral, (backlight ou sidelight) e ocupa menos espaço. As telas OLED possuem baixos tempos de resposta e podem ser visualizadas em ângulos de até 180º. 14 7
VARIAÇÕES DOS LEDS ORGÂNICOS (ORGANIG LEDS) Tipos de OLEDs: OLED com matriz passiva OLED com matriz ativa OLED transparente OLED de emissão superior OLED dobrável OLED branco http://www.tecmundo.com.br/amoled/8189-tecnologia-oled-como-ela-vai-revolucionar-as-telas.htm. Visitado em 07/10/14 http://tecnologia.hsw.uol.com.br/led-organico-oled.htm. Visitado em 07/10/14 http://casa.abril.com.br/materia/led-x-oled-diferencas-entre-diodos-emissores-luz. Visitado em 03/09/2015 http://www.tecmundo.com.br/telas/18168-entenda-as-diferencas-nas-telas-de-celulares-de-ultimageracao.htm. Visitado em 15/03/16 http://www.tecmundo.com.br/telas/49151-a-evolucao-das-telas-em-celulares-infografico-.htm. Visitado em 15/03/16 15 PMOLED MATRIZ PASSIVA OLED Os PMOLEDs têm tiras de cátodo, camadas orgânicas e tiras de ânodo. As tiras de ânodo são arranjadas perpendicularmente às tiras de cátodo. As interseções do cátodo com o ânodo formam os pixels onde a luz é emitida. O circuito elétrico externo aplica uma corrente às tiras selecionadas de ânodo e cátodo, determinando quais pixels serão ligados e quais permanecerão desligados. Os PMOLEDs são fáceis de fazer, mas consomem mais energia do que outros tipos de OLED, principalmente devido à energia necessária para alimentar o circuito externo. Os PMOLEDs são mais eficientes para textos e ícones e mais adequados para telas menores (2 a 3 polegadas de diagonal) como aquelas que você encontra nos telefones celulares, PDAs e MP3 players. Mesmo com o circuito externo, os OLEDs com matriz passiva consomem menos energia da bateria do que os LCDs que são os atualmente usados. 16 8
AMOLED MATRIZ ATIVA DE OLED Os AMOLEDs têm camadas completas de cátodo, moléculas orgânicas e ânodo, mas a camada de ânodo se sobrepõe a uma estrutura de transistor de filme fino (TFT) que forma uma matriz. A própria estrutura TFT é o circuito elétrico que determina quais pixels ficam ligados para formar uma imagem. Os AMOLEDs consomem menos energia do que os PMOLEDs porque a estrutura TFT requer menos energia do que o circuito externo, portanto, são eficientes para grandes displays. Os AMOLEDs também têm taxas de atualização mais rápidas, adequados para vídeo. Os AMOLEDs se adaptam melhor para monitores de computadores, TVs de tela grande e avisos eletrônicos ou painéis de anúncios. 17 OLED TRANSPARENTE OLEDs transparentes têm apenas componentes transparentes (substrato, cátodo e ânodo) e, quando desligados, são até 85% tão transparentes quanto seu substrato. Quando um display de OLED transparente é ligado, permite que a luz passe nas duas direções. O display OLED transparente pode ter matriz ativa ou passiva. Essa tecnologia pode ser usada para displays "heads-up". O Head Up Display (sigla HUD) é um instrumento inicialmente desenvolvido para utilização em aeronaves visando a fornecer informações visuais ao piloto sem que este tenha que desviar os olhos do alvo à frente da aeronave. (Wikipédia) 18 9
EXEMPLO DE ESPECIFICAÇÃO Esquematize um circuito utilizando um LED em polarização direta, cuja Iled = 30mA, Vled =1,6V e Vi = 14 V. Calcule o resistor para o perfeito funcionamento do led em polarização direta. Rs = 413,3 PRs = 372mW Pled = 48mW A aplicação do led exige a existência de um resistor absorvedor. Os parâmetros usuais para esse cálculo são: R P S RS 5mA I V V I mas I LED fonte 2 Rs LED I V LED R S I LED 2,0V Rs LED 2 RS V R S 20mA V RS I Rs Vled: vermelho = 1,6V verde= 2 a 2,4V amarelo =2,4V 19 EXERCÍCIOS (BOYLESTAD SEÇÃO 2.11) Respostas: 42c=1835ohms, 42d=220 ohms 43=20ohms, 12V, 2,4W 44=11,3V a 15,86V 45=500ohms, 40mA 20 10