Experiencia 1

Experiencia 1

Nota:

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

Departamento de Engenharia

Bachar. em Engenharia Elétrica

Experimento - 1

Eletrônica Geral ENG-1550

Prof. Alana da Silva Magalhães

O Diodo Semicondutor e o Regulador de Tensão com Diodo Zener

Realizada em: 18/08/2010

Relator

Hugo Rodrigues da Costa 20012.038.058.3

Turma: C01/3 4a feira, 18:45 - 20:15 h

Exper.

9

O Diodo Semicondutor e o Regulador de Tensão com Diodo Zener

Nesta experiência, examinei dois tipos de circuitos elétricos. No primeiro, analisei o comportamento da corrente e tensão do diodo semicondutor em série com uma carga resistiva, polarizando o diodo diretamente e inversamente. No segundo, analisei o diodo Zener como Regulador de Tensão. Utilizei a ferramenta Multisim, um programa simulador de circuitos da Eletronics Workbech Group, para simular e obter os valores desejados para os dois circuitos. Com os valores obtidos pude determinar o ponto de trabalho do diodo semicondutor e do diodo Zener.

Objetivo

Levantar a curva característica do diodo semicondutor;

Determinar o ponto de trabalho do diodo utilizando a reta de carga;

Analisar o comportamento funcional do diodo Zener.

Material Utilizado

01 Fonte DC ajustável

01 Matriz de contatos

02 Multímetros

01 Resistor de 470Ω (1W)

01 Resistor de 220Ω (1/8W)

01 Resistor de 1kΩ (1W)

01 Diodo 1N4007

01 Diodo Zener: 5,6V

Fundamentação Teórica

Diodo semicondutor

Diodo semicondutoré um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristalsemicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação.

É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Possui uma queda de tensão de 0,3 V(germânio) e 0,7 V(silício).

Comportamento em circuitos

O

Figura 1. Exemplos de Didos encontrados no mercado

diodo é um componente eléctrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura 2. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A.

Figura 2. Diagrama esquemático do diodo semicondutor

Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, o diodo vai permitir ou impedir corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo.

Figura 3. Polarização Direta do diodo Figura 4. Polarização Inversa do diodo

Na imagem da figura 3 o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da figura 4 o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada.

O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está directamente polarizado, e aberta quando o diodo está inversamente polarizado), a diferença mais substancial é que quando diretamente polarizado há uma queda de tensão no diodo muito maior do que a que geralmente há em chaves mecânicas, no caso do diodo de silício, 0,7 V; assim, uma fonte de tensão de 10 V polarizando diretamente um diodo em série com uma resistencia, fará com que haja uma queda de tensão de 9,3 V na resistencia, pois 0,7 V ficam no diodo. Na polarização inversa acontece o seguinte, o diodo fará papel de uma chave aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resitor, a tensão ficará toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo haverá uma tensão de 10 V.

A principal função de um diodo semicondutor é transformar corrente alternadda em corrente contínua pulsante, já que no semiciclo negativo de uma corrente alternada o diodo fará a função de uma chave aberta, não circulará corrente eléctrica no circuito. E num circuito de corrente contínua é somente de abaixador de tensão.

A dopagem do diodo semicondutor e os cristais P e N

A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos trivalentes, obterá átomos com sete elétrons na camada de valência, que necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação do cristal P, utiliza-se principalmente o elemento Indio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes, obter-se-á átomos neutralizados(com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N).

Para a formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Quanto maior a intensidade da dopagem, maior será a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior for sua temperatura, maior será a condutibilidade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura, acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de corrente elétrica.

Após dopadas, cada face dos dois tipos de cristais (P e N)terá uma determinada característica diferente da oposta, gerando regiões de condução do cristal, uma com excesso de elétrons, outra com falta destes (lacunas), e entre ambas, haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas, chamada de região de depleção (à qual possui uma barreira de potencial).

Polarização do diodo

Figura 5. Gráfico mostra a curva característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa

A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de catodo). Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo(cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais(contém impurezas), a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm, que é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas, tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampéres, chamada de corrente de fuga, que também é quase desprezível.

Testes com o diodo

Os díodos, assim como qualquer componente eletrônico, operam em determinadas correntes elétricas que são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos técnicos.Além da corrente, a voltagem inversa(quando o díodo está polarizado inversamente) também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que tem suas especificidades fornecidas pelo fabricante. Se ele for alimentado com uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta, o diodo pode danificar, ficando em curto ou em aberto. Utilizando de um ohmimetro ou um multímetro com teste de díodo, pode-se verificar se ele está com defeito. Colocando-se as ponteiras de prova desses aparelhos nas extremidades do diodo(catodo e ânodo), verifica-se que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa no catodo, além de indicar isolação quando ocorre o inverso. Assim o díodo está em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do catodo e do ânodo, porém se os aparelhos de medição indicarem condução dos dois caminhos do díodo, ele está defeituoso e em curto. Se os aparelhos de medição indicarem isolação nos dois caminhos, ele também está defeituoso e em aberto.

Usos

O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais, portanto, este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica, pois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores.

Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). CA vem de Corrente alternada, significa que os elétrons circulam em dois sentidos, CC (DC), Corrente contínua, isto é circula num só sentido.

A certa altura o potencial U , formado a partir da junção n e p não deixa os eletrons e lacunas movimentarem-se, este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.

Tipos de diodos semicondutores

Os diodos são projetados para assumir diferentes características: diodos retificadores são capazes de conduzir altas correntes elétricas em baixa frequência, diodos de sinal caracterizam-se por retificar sinais de alta frequência, diodos de chaveamento são indicados na condução de altas correntes em circuitos chaveados. Dependendo das características dos materiais e dopagem dos semicondutores há uma gama de dispositivos eletrônicos variantes do diodo:

Diodo

Diodozener

DiodoSchottky

Diodotúnel

Diodo emissorde luz

Fotodiodo

Varicap

SCR

Figura 6. Representação Esquemática dos Tipos de diodos semicondutores

Diodo Zener

Figura 7. Representação Esquemática do diodo Zener

O diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução reversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN. Embora o nome diodo Zener tenha se popularizado comercialmente, o nome mais preciso seria diodo de condução reversa, já que há dois fenômenos envolvidos o efeito Zener e o efeito avalanche.

Fabricação

O

Figura 7. Gráfico da Polarização direta e inversa do diodo Zener

diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5 Volts).

Funcionamento

O diodo Zener pode funcionar polarizado diretamente ou inversamente. Quando está polarizado diretamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduz corrente elétrica enquanto a tensão aplicada aos seus terminais for inferior a aproximadamente 0,6 Volts no diodo de silício ou 0,3 Volts no diodo de germânio. A partir desta tensão mínima começa a condução elétrica, que inicialmente é pequena mas que aumenta rapidamente, conforme a curva não linear de corrente versus tensão. Por esse fato, a sua tensão de condução não é única, sendo considerada dentro da faixa de 0,6 a 0,7 Volts para o diodo de silício.

Tensão Zener

É a tensão mínima a ser aplicada no diodo Zener, em polarização reversa, para que a corrente elétrica comece a ser conduzida.

Diodo

Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz corrente desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na realidade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de corrente de saturação, que ocorre devido unicamente à geração de pares de elétron-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo. No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um diodo comum, o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais. Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts e 24 Volts.

Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de diodos. Um dado importante na especificação do componente a ser utilizado é a potência do dispositivo. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mili Watts e 1 Watt. O valor da corrente máxima admissível depende dessa potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência ligada em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.

Regulador de Tensão Com Zener

Corrente Máxima no Zener

(Para que não danifique o componente)

PZ = VZ * IZmáx

IZmáx = PZ / VZ

Corrente Mínima

IZmín = IZmáx . 0,15

Cálculo do Resistor limitador RZ

Adiciona-se RZ para limitar a corrente no zener

RZmín = (VCC - VZ) / IZmáx

RZmáx = (VCC - VZ) / (IZmín + IRML)

RZ (adotado) = (RZmín + RZmáx) / 2

RZmín <RZ (adotado) <RZmáx

Procedimento Prático

  1. Utilizando o ohmímetro, identifique os terminais do diodo.

  1. Monte o circuito da figura 8.

Figura 8. Circuito 1

  1. Ajuste a tensão na fonte para se obter os valores de tensão descritos no quadro da tabela 1. Meça e anote a corrente no circuito.

Tabela 1. Resultados da simulação do circuito no Multisim

  1. Inverta a polaridade do diodo e preencha o quadro da tabela 2.

VD(V)

5

10

15

20

25

30

ID(mA)

0,037

0,042

0,047

0,052

0,057

0,062

Tabela 2. Resultados da simulação do circuito no Multisim

  1. M

    Figura 9. Circuito 2

    onte o circuito indicado na figura 9, com os seguintes valores: RS = 220Ω e RL = 1kΩ

  2. Varie a tensão da fonte (VS) e preencha o quadro, apresentado na tabela 3.

Tabela 3. Resultados da simulação do circuito no Multisim

  1. Inverta o sentido da fonte VS, aplicando 5V e meça o valor da tensão sobre a carga e corrente no Diodo Zener:

VRL = 613,203mA IZ = 17,487mA

Questionário

  1. Com os dados obtidos no quadro da figura construa a curva característica do diodo (VDx1).

  1. Sobreponha ao gráfico (VDx1) a reta de carga para o circuito indicado na figura 1, com a tensão da fonte em 5V. Determine o valor do ponto de operação do diodo nestas condições.

  1. Com base no quadro da tabela 3 e no resultado do item 7, descreva o comportamento do zener em função da tensão aplicada;

Neste circuito, o diodo comportava-se como chave aberta até variar a tensão da fonte à aproximadamente a tensão Zener que foi de 5,6V. Depois que ultrapassou esta tensão ela passou a estabilizar 5,6V aproximados entre seus dois terminais. Conforme a tensão da fonte aumentava, a tensão Zener se mantinha, subindo assim conseqüentemente a corrente dentro do diodo Zener. O diodo Zener estava inversamente polarizado.

  1. Para uma tensão de 15V, qual o valor do resistor R, que garante a atuação do Zener como regulador de tensão no circuito da figura 9?

Para uma tensão aplicada de 15V na fonte, o meu resistor RL deverá ser de no mínimo 250Ω para que o meu diodo Zener chegue na tensão de 5,6V para trabalhar como regulador de Tensão.

Conclusão

Conclui através desta experiência, que o diodo semicondutor comporta-se como uma chave simples dentro do circuito elétrico: fechada quando polarizado diretamente com tensão superior à tensão diodo (0,7V silício e 0,3 germânio), e aberta quando polarizado reversamente. E que o diodo Zener quando polarizado diretamente possue a mesma função do diodo comum, mas quando polarizado reversamente, quando aproxima-se de sua tensão de ruptura, ele estabiliza uma tensão entre seus dois terminais, chamada de tensão Zener, podendo utilizar correntes mais altas sem ocorrer a ruptura do componente, que no caso do diodo comum acontece nestas condições.

Referências Bibliográficas

  • www.wikipédia.com.br - site de enciclopédia digital online;

  • MULTISIM, programa simulador da marka National Instruments, do grupo Eletronics Workbech.

ENTREGUE EM: 27/08/2010

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