2.1. Entender o significado das características dos diodos

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FACULDADE DE ENGENHARIA DE JOINVILLE - FEJ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I
Roteiro-Relatório da Experiência No 1
“CARACTERÍSTICAS DOS DIODOS”
1. COMPONENTES DA EQUIPE:
ALUNOS
NOTA
1 ___________________________________________
2 ___________________________________________
3 ___________________________________________
4 ___________________________________________
Prof.: Celso José Faria de Araújo
5 ___________________________________________
Data: ____/____/____ ___:___ hs
2. OBJETIVOS:
2.1. Entender o significado das características dos diodos
2.2. Verificar as características IxV dos diodos de junção PN.
3. INTRODUÇÃO TEÓRICA:
3.1. Regiões de Operação ou Polarização
Considere o diodo de junção mostrado na Figura 1. Um diodo de junção pode ser
polarizado para ser utilizado em circuitos em três possíveis regiões: regiões de polarização
direta, inversa e de ruptura.
iD
vD
Figura 1 – Simbologia e fotografia de diodos retificadores
Para as regiões de polarização direta e inversa a tensão e a corrente através da
junção se relacionam pela equação exponencial aproximada:
vD
 nV


i D  I S e T  1




iD  I S e
vD
nVT
(1)
para v d  0,5 V (SILICIO)
onde: IS é a corrente de saturação que é dependente da área de contato da junção do diodo
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estabelecida na fabricação e pela temperatura de operação do diodo. Apresenta-se na
ordem de nanoampéres em junções de silício e de microampére em junções de
germânio. Tipicamente 10-15 A
n é uma constante que depende do processo de fabricação dos diodos e pode variar de
1 a 2. Caso de diodos discretos n = 2 e n = 1 para diodos integrados.
VT é a tensão termodinâmica e para temperaturas entre 17 e 20oC  VT  25mV
Pela equação (1) pode-se chegar:
a) Se 0 < vD << VT tem-se iD  0
b) Se vD >> VT, tem-se i D  I S e
vD
nVT
c) Se vD << -VT, tem-se iD  - IS
Para o item “b” anteriormente citado, conhecendo-se apenas um ponto da
característica VxI, pode-se calcular qualquer outro ponto através de uma das seguintes
equações:
I 
I 
V2  V1  nVT ln  2  ou V2  V1  2,3 nVT log  2 
 I1 
 I1 
(2)
Sabendo-se dois pontos pode-se calcular também o parâmetro “nVT”.
A equação (1) não prevê o fenômeno de condução que ocorre quando a tensão
inversa atinge um valor denominada tensão de ruptura. A ruptura se deve à intensificação do
campo elétrico na região de depleção, devida à aplicação de uma tensão inversa. Todos os
diodos estão sujeitos à ruptura que é, em princípio, um fenômeno reversível. O dispositivo
pode ser eventualmente destruído, se a potência dissipada no processo exceder a máxima
permitida.
Existem dois mecanismos de condução inversa:
a) Multiplicação de portadores por avalanche na região de depleção
b) Efeito zener: elétrons de valência arrancados pelo campo elétrico.
A condução dá-se por avalanche ou efeito zener conforme a concentração de
impurezas: em junções com altas concentrações a região de depleção é muito estreita e o
efeito zener precede o efeito avalanche e vice-versa. Diodos especialmente fabricados para a
operação na região de polarização inversa são indiscriminadamente denominados diodos
Zeneres, cuja simbologia está mostrada na Figura 2.
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Figura 2 – Simbologia e fotografia de Diodos Zeneres
Uma vez estabelecida a ruptura, a tensão através do diodo é pouco dependente da
corrente, que não deve ultrapassar um valor de segurança. Acima deste valor o diodo pode
ser inutilizado pela potência dissipada internamente. Estes tipos de diodos são usados em
circuitos como reguladores de tensão.
Mesmo antes de ser atingida a ruptura, a corrente em um diodo real inversamente
polarizado tem intensidade maior que a corrente de saturação, e aumenta com a tensão
aplicada como mostra a Figura 3.
Essa discrepância em relação ao modelo deduzido se devem a dois fenômenos são
considerados:
a) Geração de portadores na região de depleção;
b) Correntes superficiais de fuga
Essas correntes em excesso são em geral mais significativas em diodos de silício do
que em diodos de germânio.
Figura 3 – Detalhe na característica para a Região de Polarização Inversa
3.2. Modelos Linearizados
A Figura 4 mostra a característica tensão-corrente dos diodos, com suas regiões de
operação e limitações de potência.
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Figura 4 – Característica IxV para os Diodos de Junção PN
A partir dessa característica, diversos modelos linearizados podem ser obtidos e
alguns estão mostrados na Figura 5. Tais modelos são procurados porque eles propiciam
uma análise matemática mais simples.
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Figura 5 – Alguns Modelos Linearizados para o Diodo
Observe que os valores dos elementos nos modelos linearizados dependem da faixa
de tensões e correntes consideradas e variam conforme a aplicação.
Os modelos incrementais, também chamados diferenciais, ou modelos para pequenos
sinais, são modelos lineares onde se relacionam pequenas variações em torno dos valores de
polarização. A característica do dispositivo é aproximada pela tangente à curva no ponto de
polarização. Para o diodo, define-se uma resistência incremental:
rd 
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dv D
di D

iD  I D
n VT
ID
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Convém ressaltar que a característica considerada até aqui é estática. Portanto os
modelos mostrados são válidos apenas até certos limites de freqüência.
Além desses limites é preciso levar em conta o fato de que variações de tensão
exigem a movimentação das cargas acumuladas nas regiões neutras próxima da junção. Isso
limita a velocidade com que o diodo pode passar da condução ao corte, por exemplo. O
fenômeno de acúmulo e remoção de cargas é de natureza capacitiva, o que nos permite
estabelecer o modelo incremental aproximado da Figura 6.
Figura 6 – Modelo Incremental Enfatizando os Efeitos Capacitivos
Os modelos dinâmicos totais (não incrementais) são bem mais complicados, por
causa da não-linearidade. De qualquer forma, neste caso, o diodo já não pode ser
representado por uma característica IxV , pois não existe mais uma relação envolvendo
apenas os valores de tensão e corrente em um dado instante.
4. MATERIAL UTILIZADO
4.1. Fonte de tensão variável (DC Power Suply).
4.2. Gerador de Funções (Tensão senoidal)
4.3. Resistores: 100-1W; 1K-1/2W; 10K-1/8W
4.4. Diodos: 1N4148; 1N4007; 1N4738; BZX79C 5V1. (As características técnicas dos
diodos se encontram em anexo).
4.5. Multímetros: 1 Amperímetro; 1 Voltímetro
4.6. Osciloscópio: Duplo traço
5. PRÉ-RELATÓRIO
5.1. Ler o item 6 (Parte Experimental) e resolver teoricamente os circuitos propostos com os
valores nominais para os resistores preenchendo as Tabelas nas linhas que se referem
aos valores estimados.
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6. PARTE EXPERIMENTAL:
6.1. Característica IxV
A característica IxV, também chamada estática, resistiva ou simplesmente DC, é uma
curva que relaciona a tensão e a corrente por um dispositivo de dois terminais, supondo
valores fixos no tempo (estáticos). O significado dessa restrição é que não se consideram os
efeitos capacitivos ou indutivos que estariam associado às variações de tensão ou corrente.
Apesar disso, estas características são usadas na prática em uma larga faixa de freqüência
genericamente denominadas de “baixas freqüências” onde os fenômenos capacitivos e
indutivos ainda não são predominantes.
Existem duas maneiras de se levantar a característica IxV em laboratório. O método
da varredura Figura 7.b é mais rápido e mais preciso do que o método ponto-a-ponto (Figura
7.a), contanto que a freqüência usada seja suficientemente baixa para não produzir efeitos
reativos apreciáveis.
Figura 7 – Métodos para Levantamento da Característica IxV do Diodo
O sinal y(t) é proporcional à corrente pelo diodo, enquanto que x(t) mede diretamente
a tensão. O oscilador (gerador de função com saída senoidal) é o gerador de varredura, e o
osciloscópio é usado como um traçador de curvas (modo XxY). Deve-se lembrar que o canal
utilizado para verificar corrente (medida indireta) deve ser dividido por 1000, ou seja, a
tensão neste canal é lida como corrente em miliampére. Além disso, é possível ajustar
melhor a faixa de tensão aplicada pela amplitude da senoide e pelo valor DC inserido
(OFFSET) para polarizar em uma região onde se quer verificar a característica.
6.2. Procedimentos
6.2.1. Método de Varredura
6.2.1.1. Use o circuito da Figura 7 para levantar as características dos diodos. Use
inicialmente a freqüência mínima do gerador. Em seguida, estabeleça a
freqüência em cerca de 100Hz e esboce a característica IxV do respectivo diodo
no espaço reservado para os mesmos. Seja cuidadoso nas observações. Indique
os valores notáveis. Em que modo devem ser os sinais acoplados aos canais do
osciloscópio: DC ou AC? ______________________
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Figura 8 - Esboço da curva IxV do Diodo 1N4148– Polarização Direta
Figura 9-- Esboço da curva IxV do Diodo 1N4007 – Polarização Direta
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Figura 10 - Esboço da curva IxV do Diodo 1N4738 – Polarização Reversa
Figura 11 - Esboço da curva IxV do Diodo BZX79C 5V1 – Polarização Reversa
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6.2.1.2. Aumente a freqüência do gerador e explique por que a curva na tela se
modifica.
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
6.2.2. Método Ponto-à-Ponto
6.2.2.1. Monte o circuito indicado na Figura 12. A chave ‘s’ no circuito permite que um
único ajuste em Vf seja usado para os dois diodos em cada ponto.
Figura 12 – Polarização Direta
6.2.2.2. Por que o amperímetro foi colocado antes do voltímetro na Figura 12? De fato,
a figura apresenta a situação correta para a polarização direta, mas não para a
polarização inversa. Por que?
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
6.2.2.3. Preencha a Tabela 1 com os valores medidos na polarização direta. Antes de
montar o circuito no laboratório, faça uma estimativa (cálculo aproximado) dos
valores que serão medidos.
6.2.2.4. Para medir-se tensões e correntes constantes deve-se ajustar o medidor
(voltímetro ou amperímetro) para acoplamento “DC”. Que tipo de acoplamento
deve ser selecionado se a tensão ou corrente não for constante para obter os
valores médios? Qual o acoplamento que deve ser usado para medir o valor
eficaz?
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
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1N4148
Vf (V)
1
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
4
6
8
10
12
14
16
18
20
4
6
8
10
R()
I(mA)
V(V)
ESTIMADO
I(mA)
V(V)
1N4007
I(mA)
V(V)
ESTIMADO
I(mA)
V(V)
10K
10K
10K
10K
10K
10K
10K
10K
10K
10K
10K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
100
100
100
100
Tabela 1 – Característica Ponto-à-Ponto para Polarização Direta
6.2.2.5. Retire o voltímetro do circuito e inverta os terminais da fonte de alimentação.
Com este arranjo pode-se aplicar tensões negativas nos diodos. Preencha a
Tabela 2 com os valores medidos de corrente inversa.
6.2.2.6. Por que se deve tirar o voltímetro do circuito para efetuar a medição da
corrente inversa?
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
Vf(V)
R()
2
4
6
8
10
15
20
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1N4148
Estimado
1N4007
Estimado
I(A)
I(A)
I(A)
I(A)
Tabela 2 – Característica Ponto-à-Ponto para Polarização Inversa (Se não existir amperímetro com
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sensibilidade para correntes da ordem de A então esta tabela deve ser desconsiderada)
6.2.2.7. Construa em papel milimetrado as curvas dos pontos experimentais obtidos. As
duas curvas devem ficar no mesmo gráfico. As escalas na polarização direta
devem ser diferentes da polarização inversa. Observe que na polarização
inversa têm-se tensões mais elevadas e correntes muito pequenas.
6.2.2.8. Levante os parâmetros para o modelo da região de condução direta. Para tanto,
determine aproximadamente o limiar de condução direta e a resistência direta
de cada diodo. Para isso é necessário traçar uma reta assintótica da curva do
diodo na condução direta. O ponto de interseção desta assíntota com o eixo da
tensão determina o valor de VD0 (do modelo). A resistência direta obtém-se da
inclinação da reta.
1N4148 VDO = ________ Volts e Rf = __________ 
1N4007 VDO = ________ Volts e Rf = __________ 
6.2.2.9. Construa as curvas da polarização direta (apenas os pontos da Tabela 1) em
papel monolog, usando a escala logarítmica para a corrente. Qual a variação da
tensão por década de corrente? Qual o valor do parâmetro nVT? Pode-se estimar
o valor de IS pela extrapolação da parte linear da curva em direção à tensão
igual a zero. No ponto de interseção com o eixo da corrente obtém-se o valor
de IS.
1N4148 V/déc _______ mV/déc nVT = _______ mV IS = _______ A
1N4007 V/déc _______ mV/déc nVT = _______ mV IS = _______ A
6.2.2.10. Monte o circuito da Figura 13.
Figura 13 – Método Ponto-à-Ponto para o Diodo Zener
6.2.2.11. Com este circuito obtém-se alguns pontos das curvas de polarização inversa
dos diodos zeneres. Para tensões menores que a tensão de ruptura nas quais os
diodos estarão bloqueados deve-se manter o voltímetro ligado na posição ‘a’.
Ao aplicar tensões maiores que a tensão de ruptura deve-se mudar o voltímetro
para a posição ‘b’. Com os valores obtidos e calculados preencha a Tabela 3.
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1N4738
Vf (V)
R()
3
5
6
8
9
10
11
12
13
14
15
16
9
10
11
12
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
1K
100
100
100
100
I(mA)
V(V)
ESTIMADO
I(mA)
V(V)
BZX79C 5V1
I(mA)
V(V)
ESTIMADO
I(mA)
V(V)
Tabela 3 – Característica Ponto-à-Ponto para Diodos Zeneres
6.2.2.12. Construa em papel milimetrado as curvas dos pontos experimentais. As duas
curvas devem ficar no mesmo gráfico.
6.2.2.13. Determine a partir do gráfico a tensão Vz e a resistência Rz para cada diodo.
1N4738 Vz = _________ Volts Rz = _________
BZX79C Vz = _________ Volts Rz = _________
7. QUESTIONÁRIO
7.1. O experimento se mostrou válido? Explique por que?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
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7.2. Comente os resultados, erros encontrados e possíveis fontes de erros.
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
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Diodos 1N4148 e 1N4007 (Polarizados Diretamente)
100
90
80
60
D
Corrente I (mA)
70
50
40
30
20
10
0
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
Tensão VD (Volts)
-9
-8.5
-8
-7.5
Tensão VD (Volts)
-7
-6.5
-6
-5.5
-5
-4.5
0
-10
-20
D
-40
Corrente I (mA)
-30
-50
-60
-70
-80
-90
-100
Diodos 1N4738 e BZX79C 5V1 (Polarização Reversa)
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Diodos 1N4148 e 1N4007 (Polarizados Diretamente)
100m
10m
100
10
Corrente I
D
(Escala Logarítmica)
1m
1
100h
10h
1h
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Tensão VD (Volts)
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