Introdução ao Estudo de diodos Especiais - LED e ZENER 1 LED – Díodo Emissor de Luz Constituição Um led é constituído por uma junção PN de material semicondutor e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). A cor da luz emitida pelo led depende do material semicondutor que o constitui. Símbolo: 3 Identificação visual dos terminais 4 Polarização de um led O led está diretamente polarizado, e emite luz, quando o ânodo está positivo em relação ao cátodo. O led está inversamente polarizado, e não emite luz, quando o ânodo está negativo em relação ao cátodo. 5 Principio de funcionamento Energia Electrão Banda de condução Luz Banda proibida Ao ser aplicada uma tensão que polariza diretamente o led ocorre que muitos elétrons não têm a energia suficiente para passarem da banda de valência à banda de condução, ficando na zona interdita ou proibida. Como não podem permanecer nessa zona voltam à banda de valência tendo para esse efeito de perder energia, o que fazem emitindo luz (fótons). Banda de valência 6 Características técnicas A corrente direta (IF) deverá estar compreendida entre 10 e 50 mA. VF – Tensão máxima de polarização directa. VR – Tensão máxima de polarização inversa. Led vermelho Material semicondutor que o constitui: Fosfoarsenieto de gálio VF = 1,6 V VR = 3 V Led verde Led amarelo Material semicondutor que o constitui: Fosforeto de gálio VF = 2,4 V VR = 3 V Led infra vermelho Material semicondutor que o constitui: Arsenieto de gálio VF = 1,35 V VR = 4 V 7 Cálculo da resistência a ser ligada em série com o led A resistência a ser ligada em série com o led tem como função limitar a corrente no led. Exemplo: Vamos calcular o valor da resistência limitadora (R1) sabendo-se que a tensão que vai ser aplicada ao circuito (VCC) é de 6Volt, e pretendese que a tensão direta aplicada ao led seja de 2 Volt para uma corrente direta de 10 mA. R=(VCC- VF)/I R=(6-2)/10x10-3 R=400Ω 8 Curva característica A curva mostra a corrente direta em função da tensão direta. Observa-se nesta curva que enquanto não se atinge um determinado valor da tensão direta não se inicia a circulação de corrente, e que, ultrapassando o cotovelo da curva a corrente direta aumenta rapidamente de valor ao aumentar ligeiramente a tensão direta. Ao aumentar a corrente direta a intensidade luminosa do led também aumenta. 9 Tipos de led Há leds de 3, 5, 8 e 10mm de diâmetro, cilíndricos, retangulares, triangulares, etc. No mercado existem leds: Bicolores Constituídos internamente por dois led em anti-paralelo. Tricolores Constituído internamente por dois led (verde e vermelho) ligados com o cátodo comum. Intermitentes Têm internamente um mini circuito integrado que provoca a oscilação do led. 10 Aplicações dos led Os led são utilizado como elementos indicadores em calculadoras, aparelhos de medida, indicadores numéricos de receptores de rádio, etc. Fabricam-se individuais ou em conjunto (display de sete segmentos) podendo neste segundo caso representar qualquer caracter. O display de sete segmentos é constituído por díodos emissores de luz, tantos quantos os segmentos do display. Na figura pode ver-se um display constituído por sete segmentos (cada segmento corresponde a um led) e um ponto decimal (ou seja, é constituído por oito led). 11 Display de sete segmentos O cátodo de todos estes díodos emissores de luz é comum, pelo que aplicando uma tensão direta de polarização aos diferentes ânodos se acenderá um ou outro dos segmentos. a b c d e K f g Cátodo comum Combinando ordenadamente as tensões diretas aplicadas aos ânodos pode formar-se qualquer caracter. http://www.corradi.junior.nom.br 12 Diodo de Referência [Diodo Zener] 13 Características Elétricas Região de operação Zener Sentido de Condução Modelos equivalentes do diodo Zener 14 Características Elétricas Curva característica de um diodo Zener 15 Características Elétricas Coeficiente de temperatura versus corrente zener Impedância dinâmica versus corrente zener 16 Polarização O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (VZn) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. 17 O díodo zener como estabilizador de tensão Para que o díodo zener estabilize a tensão nos seus terminais deve-se ter em atenção o seguinte: O díodo zener tem que se encontrar polarizado inversamente (A → − e K → +). A tensão de alimentação do circuito tem que ser superior à tensão de zener (VZn) do díodo. A carga ou cargas do circuito têm que estar ligadas em paralelo com o díodo zener. 18 O díodo zener como estabilizador de tensão – Sem Carga Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão é necessário que o díodo zener trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando-se as especificações da corrente máxima. A corrente que circula pela resistência limitadora é a mesma corrente que circula pelo díodo zener e é dada pela expressão: IS = (VE – VZ) / R IS = (15 – 10) / 470 IS = 10,64 mA 19 Principio de funcionamento Vimos que o díodo retificador se comportava quase como isolador quando a polarização era inversa. O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado valor da tensão (VZn), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente. Qual será então o fato que justifica esta transformação de isolador em condutor? A explicação é-nos dada pela teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche. Efeito de zener – ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor (VZ) é rompida a estrutura atômica do díodo e vencida a zona neutra, originando assim a corrente elétrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas VR <5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem (percentagem de impurezas) do silício ou do germânio. Efeito de avalanche – Para tensões inversas VR > 7 Volt, a condução do díodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas (elétrons). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos semicondutores, através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados libertam outros, originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito de avalanche. Para tensões inversas VR, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche). 20 Regulador Zener – [RZ] Regulador Zener Básico - 21 Regulador Zener – [RZ] Regulador Zener Básico - Exemplo 22 Regulador Zener – [RZ] Regulador Zener Básico - 23 Regulador Zener – [RZ] Regulador Zener Básico - Exemplo 24 Regulador Zener – [RZ] Regulador Zener Básico – Vi variável e RL variável RS ( máx ) ≥ RS ≥ RS (min) RS (min) = Vin( máx) − VZn I Z ( máx I Z ( máx)teorico RS ( máx) = Vin(min) − VZn I Z (min) + I RL ( máx) ⎡Vin( máx) − VZn ⎤ = I Z (min) + I RL ( máx) .⎢ ⎥ − V V ⎢⎣ in(min) Zn ⎥⎦ [ ] 25 Orientações finais para o projeto: Especificação do Diodo Zener: VZn Æ tensão zener nominal: Dado pelo Fabricante. PZ(máx) Æ Potência Zener máxima: Dada pelo fabricante. Então: I Z ( máx ) = PZ ( máx ) VZn Assim: IZ(máx) ≥ IZ(máx)teórico IZK Æ Corrente zener de teste (IZ(min)): Dada pelo fabricante. Obs. Na falta deste valor; uma orientação para o projeto é de se utilizar 10% da corrente Zener máxima. www.corradi.junior.nom.br 26