ELT313_Lab1r...Diodo

ELT313 – L ABORATÓRIO DE E LETRÔNICA A NALÓGICA I
E NGENHARIA E LÉTRICA
L ABORATÓRIO N O 1 – D IODOS S EMICONDUTORES
OBJETIVOS
Testar diodos utilizando multímetro digital.
Desenhar a curva característica tensão vs. corrente.
Medir “tempo de recuperação reversa - tRR”.
LISTA DE MATERIAL
Fonte de tensão contínua ajustável 15V/1A
Multímetro digital
Osciloscópio de dois canais
Gerador de funções
Resistor 1/3 W, 5%,
1 kΩ(1) 10 kΩ(1) 100 kΩ(1) 1 MΩ(1)
Potenciômetro 4k7 ou 10 kΩ
Diodos semicondutores
1N4001/1N4007 - retificador (1)
1N4148 - retificador rápido (1)
1N758/C10 - zener 10V, 400mW (1)
LED (1)
ESPECIFICAÇÕES DO DIODO
Diodo é o termo utilizado para dispositivo eletrônico de dois terminais (eletrodos). Diodos semicondutores de silício, não necessariamente elementos
de apenas uma junção, são designados por
1Nxxxx.
Diodos retificadores são componentes eletrônicos de dois terminais com a propriedade de permitir
a passagem de corrente em apenas um sentido.
Diodo retificador semicondutor é constituído de apenas uma junção PN,
Para utilizar o diodo retificador devemos verificar,
no mínimo, as seguintes especificações:
Tensão (PIV, VRR)
Corrente (eficaz, média, pico)
Potência (média, pico)
Resistência térmica e dissipador de calor.
O valor máximo de corrente que o diodo pode
conduzir, que deve ser menor que o máximo absoluto (maximum ratings), é limitado pela máxima
temperatura suportável pela junção (125oC a
200oC).
Em regime de operação contínuo esta temperatura pode ser calculada da seguinte forma.
Θ J = Θ A + PD .RΘ( J − A)
ΘJ= Temperatura da Junção oC
ΘA= Temperatura Ambiente oC
PD= Potência Dissipada W
RΘ(J-A)= Resistência Térmica entre junção e ambiente oC/W
Quanto maior a corrente, maior será a dissipação de potência no diodo. A potência média dissipada no diodo pode ser calculada pela seguinte equação:
PD(av) = R t .I 2D(RMS) +Vt .I D(Av)
A resistência térmica depende da montagem, do
tamanho do dissipador de calor e da ventilação disponível. Quanto maior o dissipador de calor, menor
será esta resistência térmica.
Em regime pulsado ou em ciclos intermitentes, o
cálculo da temperatura da junção é muito mais
complexo. Recomendamos a leitura dos manuais
fornecidos pelos fabricantes de diodos.
Para diodos retificadores de potência devemos
especificar: tensão reversa de pico repetitivo e não
repetitivo, corrente eficaz, média, de pico repetitivo
e não repetitivo, corrente de sobrecarga, corrente
de surto, di/dt, dv/dt, I2t, tempo de comutação ou
recuperação, corrente reversa, queda de tensão direta, carga de recuperação reversa, etc. Devemos
ainda especificar o dissipador de calor, o circuito
snubber e fusíveis.
Na Tabela abaixo temos alguns valores típicos
para diodos de potência.
IFAV
15
200
A
IFSM (Tj=25oC)
320
6.000
A
IFSM (Tj=125oC)
280
5.000
A
I2t (Tj=125oC)
390
125.000
A2s
IR (Tj=125oC)
2,5
9
mA
VF (Tj=25oC)
1,85
(75A)
1,35
(600A)
V
Vt
0,85
0,8
V
Rt
15
0,8
mΩ
RthJC
2
0.2
o
C/W
I – TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES
Podemos testar um diodo rapidamente através
de um multímetro. Na maioria dos casos podemos
verificar se o diodo está queimado ou não.
ATENÇÃO: Nos multímetros digitais devemos utilizar a escala especial para teste de diodos.
Se o teste do diodo indicar a mesma leitura em
ambas direções (menor que 0.5) provavelmente esta junção estará em curto-circuito. Por outro lado,
se indicar OL em ambas direções, esta junção estará aberta ou trata-se de outro elemento.
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Laboratório No 1
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ATENÇÃO: Nos multímetros digitais a tensão
produzida na função RESISTENCIA (Ω) é menor
que 0,2V, menor que a barreira de potencial do diodo, portanto indicará ABERTO (over load) nas duas
direções (ou polaridades). Nos multímetros analógicos o teste é feito na escala de resistência. O resultado será oposto ao do DMM uma vez que a polaridade dos terminais do Ohmimetro é invertida. O
terminal negativo da bateria está conectada ao terminal (+) ou (V/Ω) do multímetro analógico
Testar os diodos semicondutores utilizando dois
multímetros digitais diferentes.
Siga o procedimento conforme manual de operação do multímetro:
Utilizar a escala especial para teste de diodos.
Ligar a ponta de prova vermelha ao conector
(V/Ω) e a ponta de prova preta ao conector
(COM) do DMM (Digital MultiMeter).
Conectar a extremidade da ponta de prova vermelha (+) ao anodo do diodo e a extremidade
da ponta de prova preta (-) ao catodo do diodo.
ATENÇÃO: NUNCA tocar na parte metálica da
ponta de prova
Desta forma o diodo estará polarizado diretamente. O multímetro deverá indicar um valor entre 0.6 e 0.8. Este valor é a barreira de potencial do diodo e depende do diodo testado e principalmente da corrente de teste fornecida pelo
multímetro (entre 0,5 e 2mA).
Os LED’s apresentam uma barreira de potencial
superior a 2 V, limite na maioria dos multímetros
digitais, portanto o teste indicará Over Load
mesmo na polarização direta. Porém será possível observar uma pequena emissão de luz.
DMM
Diodo
direto
reverso
direto
reverso
1N4001
1N4148
1N758 *
LED **
ATENÇÃO: Graves acidentes ocorrem com o
multímetro imprudentemente esquecido na função amperimétrica.
Se um curto-circuito for provocado, o multímetro poderá explodir, dependendo da qualidade
do fusível de proteção utilizado no multímetro e
da potência de curto-circuito da fonte de tensão.
II - CURVA CARACTERÍSTICA
Polarização direta
O procedimento para obter a curva característica
do diodo na polarização direta é medir a tensão no
diodo para vários valores de corrente.
O método utilizado depende do tipo de fonte de
corrente contínua disponível. Pode ser uma fonte
de corrente ou uma fonte de tensão, fixa ou ajustável. Se a fonte de tensão for fixa será necessária a
utilização de potenciômetro.
O método apresentado na Figura 2 utiliza uma
fonte de tensão ajustável em série com um resistor.
O valor da resistência depende da faixa do valor da
corrente desejada.
R =1MΩ
Polarizando o diodo reversamente, terminal
vermelho no catodo e terminal preto no anodo
do diodo, o multímetro indicará Over Load (ou
1.)
ANODO (A)
CATODO (K)
Figura 2: Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização direta.
ATENÇÃO: Devido ao baixo valor da tensão a
ser medida recomenda-se utilizar a configuração
“tensão real” ou “curta derivação”.
COM
V/Ω
COM
V/Ω
Medir e anotar os valores de Vd para os valores
de Id indicados na Tabela 1.
Observe que a faixa de varredura da corrente é
muito alta 20mA/2uA=10.000:1, ou seja, quatro
décadas.
Figura1- Teste de diodo
2
Por este motivo adotamos uma varredura logarítmica com sequencia 1-2-5.
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Calcular a “resistência dinâmica” do diodo “rd”
somente para alguns pontos.
rd =
∆V
∆I
Para corrente de 10µ considere os valores para
5µA e 20µA
Compare este resultado com a equação
**Verificar o efeito de carregamento causado
pelo voltímetro configurado como “tensão real”
medindo a corrente com e sem o voltímetro conectado em paralelo ao diodo. Esta corrente é
na realidade a corrente que circula no Voltímetro e não no diodo, uma vez que a corrente reversa do diodo não ultrapassa algumas dezenas
de nA (10-9A).
R = 1kΩ
25mV
rd =
ID
Calcular o valor real da corrente no diodo quando o amperímetro indicar 1mA. Considere 10MΩ
como resistência do voltímetro.
Figura 3: Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização reversa.
Tabela 1
R
Id
Vd
rd
E
Ω
A
V
Ω
V
1M
2µ
5µ
E
Vr
IR
IR **
-
V
V
uA
uA
-
5,0
10,0
10µ
100k
20µ
-
50µ
-
200µ
-
500µ
-
1m
1k
15,0
**com voltímetro em paralelo ao diodo
Circuitos alternativos
100µ
10k
Tabela 2
2m
-
5m
-
Desenhar o esquema e descrever o procedimen-
to para realização da Etapa II (curva característica) utilizando uma fonte de alimentação fixa de
+12V e um potenciômetro de a) 1MΩ e b) 10kΩ.
10m
100
-
20m
Polarização reversa
Na polarização reversa o procedimento deve ser
oposto ao da polarização direta. Agora devemos
medir a corrente para vários valores de tensão.
ATENÇÃO: Devido ao alto valor da resistência
do diodo na polarização reversa, recomenda-se
utilizar a configuração “corrente real” ou “Londa Derivação”.
Montar o circuito da Figura 3 - basta inverter a
polaridade do diodo.
Medir e anotar os valores de IR e VR para os valores de E indicados na Tabela 2.
Construção do gráfico
Com os dados da Tabela 1, desenhe a curva ca-
racterística I x V em gráfico linear (Figura 4) utilizando duas escalas para o eixo Y (200uA e
20mA) e em gráfico logarítmico (Figura 5).
Desenhar, no gráfico linear, as retas de carga
para E=2V e R= 1kΩ
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20m 200u
20mA
15m 150u
100uA
10m 100u
E = 1V
E=2V
R=100
R = 10kΩ
5m
50u
E=2V
R=1k
2mA
0
0
0
.2
.4
.6
.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2V
Figura 4: Curva característica do diodo na polarização direta – gráfico linear
4
Figura 5: Curva característica do diodo na polarização direta – gráfico logarítmico
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III- Influência da TEMPERATURA (OPCIONAL)
Retornar o diodo à condição de polarização direta, Figura 2, com R=1 kΩ e E=10 V .
Medir e anotar na Tabela 3 os valores de ID e VD
.
Tabela 3
temperatura
VD
ID
Resfriado
Ambiente
Aquecido
Figura 7- Curva característica do diodo.
IV- CARACTERÍSTICA I X V OBTIDA COM O OSCILOSCÓPIO
V - RECUPERAÇÃO REVERSA
Para observar a curva característica do diodo através do osciloscópio basta configurar o circuito
como retificador, utilizando um transformador ou um
gerador de sinais com GND isolado, e conectar o
osciloscópio conforme a Figura 6.
O diodo não passa do estado de condução para
o estado de bloqueio instantaneamente. Por alguns
instantes (nanosegundos) o diodo conduz reversamente.
Atenção: Isolar o GND de um dos instrumentos,
osciloscópio ou gerador de funções, utilizando um
plug adaptador para o cabo de força. Lembre-se
que o terceiro pino do cabo de força está ligado à
carcaça e ao GND do equipamento.
GND
OSCILOSCÓPIO
CH1
R1
1k
20Vpp
100Hz
Utilize o esquema apresentado na etapa anterior
(Figura 6) com gerador de sinais isolado da rede de
alimentação. A freqüência deve ser ajustada entre
60Hz e 60kHz.
O osciloscópio deve ser ligado como indicado na
Figura 6. CH1 observará a forma de onda da tensão
no diodo enquanto que o canal CH2 (INVERTIDO)
observará a corrente (tensão sobre R1).
Observar as duas ondas no tempo na freqüência
de 60Hz e depois em 6kHz.
Medir o tempo de recuperação reversa diodo re-
GND/GF
ISOLADO
- CH2
tificador “phase control” 1N4007 e do diodo retificador de comutação rápida 1N4148.
Figura 6: Circuito para observação da curva característica do diodo retificador com osciloscópio.
tRR
catálogo
medido
1N4007
1N4148
Ajuste o osciloscópio no modo X-Y com o canal
2 INVERTIDO e com os eixos no centro da tela.
Canal CH1 (eixo X) – tensão do diodo;
Canal CH2 (eixo Y) – tensão no resistor
Ajuste a amplitude da onda triangular em 20V
pico a pico (sem off set) e observe a curva na
tela do osciloscópio
Desenhe a curva na Figura 7 com Y=5V/DIV-DC
e com X=5V/DIV-DC ou X=0,5V/DIV-DC.
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VI - FONTE DE TENSÃO E FONTE DE CORRENTE
O diodo retificador é o dispositivo semicondutor
mais elementar da eletrônica, porém não devemos
subestimar sua potencialidade e a dificuldade para
analisar circuitos com diodos. A análise de circuitos
com diodos está longe de ser fácil e direto uma vez
que ele é um elemento NÃO LINEAR.
Um exemplo interessante é apresentado na Figura 10. Os dois circuitos aparentemente semelhantes apresentam resultados totalmente diferentes.
D1
A)
Vo=9,2V
D2
+
+
V1
10V -
V2
5V -
Rc
1k
D1
B)
Vo=15V
D2
+
+
I1
10mA -
I2
5mA-
15mA
Rc
1k
Figura 8- Oscilograma da condução reversa no diodo
– 1N4001
Figura 10- Fonte de corrente e fonte de tensão.
Mude a forma de onda para QUADRADO e desenhe a forma de onda observada.
No circuito (A), com fonte de tensão, apenas o
diodo D1 conduz. A tensão na carga é a tensão
maior V1 menos a queda de tensão em D1 (consideramos VD1=0,8V).
No circuito (B), com fonte de corrente, os dois
diodos conduzem. A corrente na carga é a soma
das duas correntes (10mA+5mA=15mA), independente do diodo e da carga. Teremos 15V na resistência de 1 kΩ .
Poderíamos dizer que uma fonte de tensão tem
comportamento oposto ao da fonte de corrente. Eles são duais.
Figura 9- Recuperação reversa do diodo retificador
para onda quadrada – 1N4001
Itajubá, MG, janeiro de 2017
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