Semicondutores - Meccom Eletronica

O inglês John A. Fleming, em 16 de novembro de 1904, percebeu
que ao se juntar um elemento P a um elemento N, teria a seguinte
situação: o elemento P tem excesso de lacunas; o elemento N tem
excesso de elétrons.
No ponto onde os dois cristais se tocam, tende a haver uma
migração de elétrons e lacunas, até que se estabeleça um
equilíbrio. Na realidade, para a condução ocorrer, o potencial V
deve ser um mínimo, superior ao da bateria.
Junção PN
- União entre materiais tipo P e N
- Região onde materiais são unidos → junção PN
- Processo que cria zona de transição entre 2 tipos de materiais
Para diodos de germânio esse valor é cerca de 0,3V e silício 0,7V.
Se o potencial externo V é aplicado no sentido dado na figura, a região de depleção
diminui e entra em colapso, permitindo a troca dos portadores de carga de ambas as
partes.
O resultado é uma considerável corrente pelo circuito, nessa condição, o diodo este
diretamente polarizado, ou seja, ele conduz.
ANÁLISE SIMPLIFICADA DO FUNCIONAMENTO DO DÍODO
Características
Comporta-se como um interruptor direcional
Deixa passar corrente num sentido direto
Não permite passagem de corrente em sentido reverso
SENTIDO DIRETO
SENTIDO REVERSO
TIPOS DE SINAIS
A palavra digital também está associada a dígito (do latim digitu, dedo) que está
associado à representação de quantidades inteiras.
Não podemos usar os dedos para representar meio pulso ou um quarto de pulso. Na
Eletrônica Analógica trabalhamos com quantidades ou sinais que podem ter valores que
variam de modo contínuo numa escala.
Os valores dos sinais não precisam ser inteiros. Por exemplo, um sinal de áudio, que é
analógico, varia suavemente entre dois extremos, enquanto que um sinal digital só
pode variar aos saltos.
Segundo os estudos da eletrônica digital nos temos dois estados possíveis.
ON / OFF
ON – díodo conduz
díodo substituído por circuito fechado
VD = 0,3 ou 0,7V
iD > 0
OFF – díodo cortado
díodo substituído por circuito aberto
ID = 0
VD < 0 ou tensão da fonte dependendo
do circuito.
Calcular a corrente que percorre o circuito considerando o modelo do díodo ideal
- Díodo conduz ?
- Hipótese: considerar díodo ON e calcular ID
Calcular a corrente que percorre o circuito considerando o modelo do díodo ideal
- Díodo conduz ?
- Hipótese: considerar díodo OFF
VD=5
VD < 0
CONFIGURAÇÃO PRÁTICA
TESTE DO DIODO
- Posicione o seletor na escala de teste de diodo
Teste de diodo
Análise de circuito com diodos
Vl = Vfonte - Vd
Vl = 12 – 0,6
Vl = 11,4 V
POLARIZAÇÃO DIRETA
Não existe corrente entre o pólo positivo da fonte e o diodo.
A corrente sendo zero a queda de tensão na lâmpada será zero, assim
toda tensão estará sobre o diodo .
Esta é uma característica do circuito serie aberto.
POLARIZAÇÃO REVERSA
Analise de circuito
CH1
L4
D4
D1
I
D2
D3
L2
L3
12VDC
I2
L1
I3
EXERCÍCIO PRÁTICO
ANALISE DE CIRCUITOS COM DIODOS
Análise os valores medidos no circuito abaixo
Analisar o circuito abaixo e verificar se existe fluxo de corrente, se existir,
determinar a corrente.
1K
Quando a tensão da fonte na malha for maior que 10V, e o circuito possuir
somente um diodo podemos considerar a queda de tensão no diodo igual a zero.
Calcular a corrente para uma fonte de
24V e 100V
V=24; I = 23,3mA
V=100; I = 99,3mA
Analisar as quedas de tensões e determinar a corrente do circuito.
D1
D2
Para conduzir um
diodo consome 0,6V
D3
0,6x3 = 1,8V
100V
R1
12K
Vr1 = 100 – 1,8
Vr1 = 98,2 V
It = 98,2 / 12000
It = 0,0081 A
It = 8,18mA
Verificar o sentido da corrente e calcular seu valor total
I1
I2
I3
It = I1 + I2 + I3
D1
D2
R1
R2
D3
I=V/R
100V
R3
It = 0,10 + 0,10
3 x 10K
DIODO EMISSOR DE LUZ (LIGHT EMMITING DIODE - LED)
Apresenta uma junção PN,
semelhante
a
um
diodo
comum, que emite luz visível
quando diretamente polarizado.
Geralmente a corrente para a
polarização de um LED comum
deve ficar na faixa de 3 mA a
15 mA.
Cada led deverá ter uma resistência em série para
limitar a corrente de funcionamento.
Se a ligação for em paralelo, é aconselhável usar
para cada um dos leds uma resistência limitadora.
Ligação correta
CÁLCULO DA RESISTÊNCIA DE POLARIZAÇÃO DE UM LED.
Para um led de 2V e 15mA, ligado a uma fonte de 9VDC.
EXERCÍCIO PRÁTICO
Dados:
V = 12VDC
Vled = 2,2VDC
VRES = 12 – 2,2
VRES = 9,8 VDC
Iled = 10mA
R = Vres/Iled
R = 9,8 / 0,010
R1 = ?
R = 980 ohms
R=~ 1Kohms
+
-
Calculo do Resistor do LED
R1
1K
12VDC
LED1
EXERCÍCIO PRÁTICO
Montar o circuito abaixo :
Para ligar o LED
Para desligar o LED
Ao ligar a fonte o LED inicia desligado.
Ao ligar a fonte o LED iniciar ligado.
Para ligar o led deve pressionar um botão.
Para desligar o led deve pressionar um botão.
Execute a montagem
Execute a montagem
DIODO ZENER
É também conhecido por diodo de ruptura, diodo de tensão constante,
díodo regulador de tensão.
Pz=Vz.Iz
Izm=Pz/Vz
Izm = Max corrente de zener
Pz= Potencia zener
Vz = Tensão de zener
O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial
negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante
aos seus terminais (UZ) sendo por isso muito utilizado na
estabilização/regulação da tensão nos circuitos.
Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável, perfeitamente
isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do que montar o sistema
constituído pelo díodo zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R,
de tal modo que o díodo fique em paralelo com a carga.
R – Resistência que tem por
função limitar a corrente no
zener (IZ).
Rc – Resistência de carga
(receptor)
POLARIZAÇÃO
O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em
relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (UZ) sendo
por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.
CURVA CARACTERÍSTICA
ZONA DE TRABALHO
Os díodos zener são definidos pela sua tensão de zener (Uz) mas para que possa
existir regulação/estabilização de tensão aos seus terminais a corrente que circula pelo
díodo zener (Iz) deve manter-se entre os valores de corrente zener definidos como
máximo e mínimo , pois se é menor que o valor mínimo, não permite a regulação da
tensão e, se é maior, pode romper a junção PN por excesso de corrente.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros:
Vz – Tensão de zener (este valor é geralmente especificado para uma
determinada corrente de teste IZT)
Izmáx – Corrente de zener máxima
Izmin – Corrente de zener mínima
Pz – Potência de dissipação (PZ = VZ x IZ)
Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo zener
pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
Vimos que o díodo rectificador se comportava quase como isolador quando a
polarização era inversa. O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado
valor da tensão (VZ), 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 atómica 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 eléctricas (electrões).
A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar electrões dos átomos
semicondutores, através do choque. Estes novos electrões libertados e acelerados
libertam outros, originando uma reacção 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).
Determine a corrente total do
circuito , Pz=0,5W
Calcular usando R1 =180R
It=Vin-Vz/R1
It=24-5,6/180
It=0,10222 A
102,22mA
Dz1=5v6
R1=12k
Vin=24V
It=(Vin-Vz)/R1
It=(24-5,6)/12000
It=1,53mA
Pz=Vz x It
Pz=5,6 x 0,00153
Pz=0,008568W ou
8,56mW
A potência consumida
do zener é menor do
que 500mW, o diodo
zener está aplicado
corretamente.
Pz=Vz x It
Pz=5,6 x 0,10222
Pz=0,5724W ou
572,44mW
Com R1=180R a potência consumida
excedeu a nominal do zener.
Determinar a corrente de R2, Dz1=5,6V
R1=2K
R2=1K
Vin=18V
IRL=Vz/R2
IRL=5,6/1000
IRL=0,0056 A
5,6mA
O resistor R2 está em paralelo com zener
,considerando somente R2 e Dz1 a fonte e
R1 não interferem na corrente de saída.
Está é a função do zener servir de
estabilizador da tensão de saída.
Determine R1 considerando a tensão de zener 12v.
Analisar a malha de saída, calculando a corrente em R2.
Calcular a corrente no diodo zener baseado na sua potência.
Calcular o valor de R1 analisando a malha de entrada.
IT = 36mA
Corrente em R1
IR1 = Iz + IRL
IR1 = 24 + 12
IR1 = 36mA
R1 = ?
Vin 48V
Malha 1
R2 = 500 ohms
Malha 2
IL - Corrente
da carga
IL=Vz/R2
IL=12/500
IL=0,02A
IL=24mA
IZ- Corrente
de Zener
Iz= IT - IL
Iz= 36 - 24
Iz= 12mA
VR2 = 12V
A corrente que
passa em R1 é a
soma da corrente
de Dz1 mais R2.
Tensão em R1
VR1 = Vfonte- VR2
VR1 = 48-12
VR1 = 36V
Valor de R1
R1 = VR1 x IT
R1 = 36 / 0,036
R1 = 1000 ohms
Verificar experimentalmente o efeito estabilizador de tensão de um díodo zener
Desenhar o esquema do circuito elétrico
Tensão da fonte 12VDC
Carga - 2,2 VDC – 10mA
R2 = 560 ohms
VR2=2,82
IT=6,97mA
Calcular R1
Vz=5,1
IL - Corrente
da carga
IL = Vz / R2
IL = 5,1/570
IL = 0,008 A
IL = 8,94mA
Malha 2
Malha 1
Resistencia da malha 2
RM2 = R2 + Resld1
RM2 = 560 + 10
RM2 = 570 ohms
IZ- Corrente de Zener
Iz = It- IL
Iz = 6,97 – 8,94
Iz = 1,97 mA
A resistência R2 tem por função limitar a
corrente no led.
A resistência de R1 tem por função limitar a
corrente no zener
Tensão em R1
VR1 = Vfonte- (VR2+LD1)
VR1 = 12 – (2,82+2,2)
VR1 = 12 – (2,82+2,2)
VR1 = 6,98V
Valor de R1
R1 = VR1 / IT
R1 = 6,98 / 0,069
R1 = 1011,59 ohms
Montar e verificar os valores calculados
Verificar o código alfanumérico do díodo e o código de cores das resistências.
Testar com um multímetro todos os componentes que vai utilizar.
Colocar os componentes no protoboard e interligá-los entre si através dos condutores elétricos.
Tirar conclusões das observações experimentais.
Circuito regulador com Zener
Circuito meia onda
C
C
A
A
B
B
D1 = 1N4007
Imax = 1 A
VRM = 1000V
D1 = 1N4007
Imax = 1 A
VRM = 1000V
Ponto A
Dz1
Vz = 10V
Pz = 1W
Ponto A
Ponto B
Ponto B
Ponto C
Ponto C
Dz1
Vz = 10V
Pz = 1W
Determinar a corrente zener no circuito abaixo para máxima e mínima tensão de entrada
OBS.: A tensão de entrada varia ±10% entre 44 V a 36 V.
Para Vin = 44V
IL = Vz / Rl
It = (Vf – Vz) / Rz
IL = 24 / 10000 It = (44 – 24) / 1200
IL = 2,4mA
It = 16,66 mA
It
Vrz
Iz
IRL
Iz = It - IL
Iz = 2,4 – 16,66
Iz = 14,26 mA
Para Vin = 36V
IL = Vz / Rl
IL = 24 / 10000
IL = 2,4 mA
Iz = It - IL
Iz = 10 – 2,4
Iz = 7,6 mA
It = (Vf – Vz) / Rz
It = (36 – 24) / 1200
It = 10 mA
Corrente máxima do zener
Izmax = Pz / Vz
Izmax = 0,5 / 24
Izmax = 21mA
Conclusão
A corrente no zener nunca
ficara > 21mA. O circuito
consegue estabilizar a tensão
de 24V mesmo com uma
variação de 10% na entrada.
Considere um diodo zener de 5V1 e potência de 300 mW. Qual será a corrente
máxima permitida?
Iz = Pz / Vz
Iz = 0,3 / 5,1
Iz = 0,05 A
Iz = 58,82 mA
Nestas condições o diodo zener suporta uma corrente máxima
reversa de 58,82 mA
Ate aqui calculamos a corrente máxima que um diodo zener pode suportar sem
causar danos, no entanto, existe para efeitos de projeto uma porcentagem a ser
considerada no dimensionamento desses componentes.
EVITANDO AQUECIMENTO EXCESSIVO NA JUNÇÃO
Toda vez que calculamos a corrente do zener utilizando sua potência, esse valor
será o máximo tolerável, para tornar o dimensionamento mais próximo do
perfeito, utiliza-se um valor de Iz menor que o máximo valor calculado.
Considerando um diodo cuja tensão zener seja de 12 V e cuja potência seja 500 mW,
sendo a fonte de alimentação de 18 V, pode-se calcular o valor da resistência em série
com o diodo.
Podemos considerar a corrente
mínima do zener como sendo
aproximadamente de 10 a 20%
do valor da corrente máxima.
Iz = Pz / Vz
Iz = 0,5 / 12
Iz = 0,04 A
Iz = 41,66 mA
Calculando o valor máximo do resistor Rz
RZmax = (Vf – Vz) / IZmin
RZmax = (18 – 12) / 0,006
Calculando Iz mínima
RZmax = 1000 ohms
IZmin = 0,04.0,15
IZmin = 6 mA
Calculando o valor mínimo do resistor Rz
RZmin = (Vf – Vz) / IZmax
RZmin = (18 – 12) / 0,04
RZmin = 150 ohms
O valor de ideal de Rz deve ser superior
a RZMIN para que o diodo não seja
submetido a uma corrente superior à
sua corrente máxima IZMAX.
Calculando o valor de Rz
RZ = (Rzmin + Rzmax) / 2
RZ = (150 + 1000) / 2
RZ = 575 ohms
Conclusão:
RZmin < Rz < Rzmax
Circuitos com resistências e díodos
- Níveis lógicos correspondem a tensões
- ON – curto fechado (ID>0)
- OFF – circuito aberto (VD<0)
FUNÇÃO AND (E LÓGICO)
TABELA VERDADE
Quantas entradas ?
2
Quantas possibilidades ?
2
Numero de
possibilidades
Numero de
entradas
FUNÇÃO LÓGICA
Função OR (OU lógico)
FUNÇÃO LÓGICA
TABELA VERDADE
SISTEMA DE AUTOMAÇÃO