Guia do trabalho pratico nº1, Electrónica I, Engenharia de Sistemas

Universidade do Algarve, FCT, ADEEC, Henrique Leonel Gomes.
Lab. 1
Electrónica I, ano lectivo 2002/2003
Engenharia de Sistemas e Computação
Engenharia Física Tecnológica
Características DC de um díodo
Material
Díodo de silício 1N914 ou equivalente
Resistências: 1K, 100 , e 10 
Introdução
O díodo é um dispositivo de dois terminais, que é constituído por uma junção entre
dois tipos de semicondutores, um do tipo p e outro do tipo n. O funcionamento do díodo
foi discutido nas aulas teóricas. Neste laboratório vamos apenas concentramo-nos nas
características externas (corrente-tensão) do díodo e em algumas das suas aplicações
práticas.
O símbolo de um díodo está representado na Figura 1. Num díodo o terminal
marcado com um traço ou por um ponto é chamado de cátodo, e está geralmente bem
assinalado num díodo real. (Ver figura 1). O outro terminal é chamado de ânodo. A
terminologia é remanescente da notação do tubo de vácuo. O ânodo refere-se ao
potencial mais alto ou positivo, e o cátodo refere-se ao terminal de potencial mais baixo
ou negativo.
Material
Tipo p
Designação
Ânodo
Tipo n
Cátodo
Símbolo
Encapsulamento típico
Figura 1 – Símbolo de um díodo, designações e relação com a estrutura física.
A análise do comportamento eléctrico estático dos díodos de junção pn, feita nas
aulas teóricas pode ser sintetizada pela equação 1.
I D  I s (e qVD / nKT  1)
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Onde K é a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta e q a carga do electrão, VD
a tensão aos terminais do díodo, e n o factor de idealidade. IS é designada por corrente
de saturação, e é a corrente máxima com polarização inversa.
Dado que normalmente no laboratório trabalhamos a uma temperatura fixa
de T20ºC (293 K), podemos definir uma nova quantidade chamada tensão térmica VT.
VT 
kT
q
Podemos então escrever a Equação 1 na seguinte forma;
I D  I s (eVD / nVT  1)
(2)
A Figura 2 representa a curva característica de um díodo.
Figura 2. Notação e características corrente-tensão (I-V) de um díodo (note que a
corrente inversa está exagerada pela mudança de escala).
Um díodo de junção permite o fluxo de uma grande corrente no sentido directo, mas
conduz apenas uma pequeníssima corrente em sentido inverso. Enquanto a corrente
directa pode situar-se na faixa das dezenas ou mesmo centenas de miliampères, a
corrente inversa encontra-se usualmente na faixa dos nanoampères, ou seja, cerca de
seis ordens de grandeza menor.
Quando o díodo está polarizado diretamente, existe uma pequena queda de potencial
aos seus terminais, chamada barreira de potencial ou tensão de arranque. Para díodos de
silício à temperatura ambiente, esta tensão é de aproximadamente 0.7 V.
O facto de o díodo conduzir preferencialmente num sentido sugere o uso prático
destes dispositivos para a obtenção de uma tensão uniredicional a partir de uma tensão
alternada (rectificação). Este é um dos tópicos que terá a oportunidade de estudar neste
laboratório.
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Experimental
Nesta primeira experiência vai obter dados que lhe permitem traçar a curva
característica do díodo.
E1 - Monte o circuito da figura 2. Use um díodo de silíco (1N914 ou equivalente).
Vd
1K
Figura 3. Circuito com díodo para traçado da curva característica.
E2 - Ajuste a fonte de alimentação de forma a medir tensões aos terminais da resistência
de 1 K em incrementos de 0.1V (0.1 V, 0.2 V....). Para cada tensão use o multímetro
para medir a queda de tensão aos terminais do díodo (Vd). A corrente que passa no
díodo é a corrente que passa na resistência de 1 K. Usando a lei de Ohm, determine a
corrente que passa no díodo.
E3 - Represente gráficamente a
curva estática do díodo (corrente tensão).
E4 - Determine a barreira de
potencial ou tensão de arranque VB, e
a resistência do díodo em
polarização directa Rf (veja a Figura
4.)
Id
Vd
VB
Vd
Rf 
I d
Figura 4. Curva estática de um díodo.
E5 - Monte o circuito representado na Figura 5.
E6 - Ligue o osciloscópio no modo X-Y, e ajuste as escalas na seguinte forma:
Vertical (ou Y), sensibilidade: 10 mV/divisão, acoplamento dc.
Horizontal (ou X), sensibilidade: 1V/divisão, acoplamento dc.
E7 - Coloque o ponto no centro do visor. Ajuste a frequência da onda triangular em
aproximadamente 100 Hz, e varie a amplitude até observar a curva característica do
díodo semelhante à representada na Figura 6.
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Entrada horizontal (X)
Osciloscópio
100 
Entrada vertical (Y)
Vd
10 
100 Hz
Figura 5. Arranjo experimental para visualizar a curva característica de um díodo
usando o modo X-Y de um osciloscópio.
A entrada horizontal do osciloscópio
mede a tensão aos terminais do díodo
(despreza-se a queda de tensão na resistência
de 10 ). A entrada vertical mede a queda de
tensão aos terminais da resistência de 10 .
Usando a lei de Ohm é possível ler a corrente
no díodo (Id). Assim, se a escala vertical tiver
uma sensibilidade de 10 mV/divisão, então
em termos da corrente que passa pelo
resistência de 10  , temos que:
Figura 6.
Sensibilid ade (escala vertical) 
10 mV/divisão
 1mA/divisã o
10 Ω
Introdução aos circuitos rectificadores.
Uma das aplicações mais correntes dos díodos é a rectificação, isto é, a
obtenção de uma tensão unidireccional a partir de uma tensão alternada. Se
intercalarmos um díodo à saída de uma fonte de alimentação sinusoidal, ele só deixa
passar a metade do ciclo em que está polarizado directamente, bloqueando quase
completamente a outra metade. Para evitar a ondulação, isto é, a descida da tensão a
zero no meio ciclo em que o díodo não conduz geralmente coloca-se um condensador de
capacidade adequada em paralelo com a saída.
E8 - Monte um circuito rectificador de meia onda representado na Figura 7, e observe as
formas de onda que obtém, quando em presença de um sinal de entrada sinusoidal.
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Utilize para esse efeito tensões alternadas sinusoidais de frequências diferentes (50 Hz;
1KHz; 10 KHz; e 100 KHz) Observe a tensão de saída para valores diferentes de C,
comece por fazer C=0.
(Este assunto continua no próximo guia de laboratório)
Vo
Vd
Vi
C
1K
Figura 7. Circuito para observação da rectificação de meia-onda.
Simulação com o PSpice(trabalho facultativo)
Use o programa PSpice, para simular a característica I-V de um díodo para
várias temperaturas. Pode usar a versão instalada nos computadores dos laboratórios de
ensino da área departamental, ou obter a sua própria cópia da versão para estudantes no
seguinte endereço electrónico:
http://www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp
Bibliografia
Microelectronic Circuits, 4º edition
Adel S. Sedra, e Kenneth C. Smith Smith
Oxford University Press
Microelectrónica
Jacob Millman, Arvin Grabel
1º volume, 2ª edição, McGraw-Hill, 1992
Pode observar uma animação que demonstra o funcionamento de uma junção pn no
seguinte endereço electrónico:
http://www.st-and.ac.uk/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/diode.htm
Nota histórica
Em 1880 Thomas Edison observou que o vidro das lâmpadas escurecia com
o tempo, o que o levou a suspeitar de que algo se deslocava no interior das
lâmpadas que usava. Em 1904 Ambrose Fleming utilizou este chamado “efeito
Edison” para fabricar o primeiro díodo um dispositivo com dois elétrodos ao qual ele
chamou ”válvula”
O primeiro díodo foi construído num invólucro de vidro "fechado a vácuo", tal
como a lâmpada eléctrica de filamento inventada por Edison.
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Um dos eléctrodos denomina-se
cátodo e é aquecido de tal modo que liberta
electrões. O outro eléctrodo denominado
ânodo, ou placa, capta os electrões emitidos
pelo cátodo.
Esta passagem de corrente eléctrica só se verifica se o sinal da carga no
ânodo for positivo. Caso a carga do ânodo seja negativa não existe passagem de
corrente eléctrica.
Embora o díodo tenha sido construído
inicialmente para detectar ondas hertzianas de
alta frequência, foi também utilizado como
rectificador de corrente.
Figura 8. John Ambrose Fleming usou uma lâmpada como esta, com um elétrodo de
fio extra no seu interior. Fleming lembrou-se disso em 1904, quando procurava um
detector para ondas de radio.
No díodo é possível consubstanciar um sistema binário 0 e 1 através da
detecção da passagem ou não de corrente eléctrica. Por este facto foi o primeiro
dispositivo electrónico utilizado na construção dos computadores. Com vários
díodos foi possível construir a memória binária.
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Projecto extra-curricular
O díodo semicondutor, além da importante função de retificar o sinal possui características
relativas à temperatura que o tornam capaz de medir tal grandeza. Na Figura 9 representam-se as
características I-V de um mesmo díodo para diferentes temperaturas. Se mantivermos a corrente que passa
pelo díodo constante, teremos aos terminais do díodo uma tensão que varia em função da temperatura (ver
Equação 3). Uma vez que dentro de determinadas aproximações, a tensão no díodo é directamente
proporcional à temperatura absoluta, podemos comparar a mesma com uma tensão de referência, e
implementar um controlador de temperatura com um díodo semicondutor. A Figura 10 representa um
diagrama esquemático de um circuito electrónico que implementa um destes controladores.
VD 
I

nk
T ln  D  1 (3)
q
 IS

F
Figura 9. Curvas I-V de um díodo medidas a diferentes temperaturas.
Fig. 10 – Controlador de temperatura que usa díodos semicondutores como sensores de temperatura
Neste circuito, a tensão sobre o díodo D1 (que neste caso deve ser o sensor de temperatura) é
comparada com uma tensão ajustada em P1. Da maneira como está montado este circuito, L1 acende
quando a temperatura sobre o díodo D1 for maior que a temperatura ajustada. Se invertermos os pinos 2 e
3 do integrado 741, L1 acende quando a temperatura sobre o díodo for menor que o valor ajustado.
Ajuste da tensão de referência:
Para ajustar a tensão de referência, coloca-se a D1 a temperatura de ajuste. Em seguida, roda-sese o potenciometro até que L1 mude de estado. Este é o ponto de ajuste.
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Aplicações dos díodos
Electrónica
Circuitos lógicos
Optoelectrónica
Detectores
Circuitos rectificadores e
limitadores
Moduladores
Díodos para sintonia e
para circuitos
misturadores
Díodos emissores de luz
Díodos de efeito de túnel
Díodos para circuitos de
rádio-frequência
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Lasers de
semicondutores
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