UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - CCET DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE CURSO: ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I PROFESSOR: NELSON CAMELO
RELATÓRIO I (DIODO, DIODO ZENER, TRANS TRANS ÍSTOR) Cristiano Jeferson da Costa Silva EE05237-72
São Luís 2010
RELATÓRIO I (DIODO, DIODO ZENER, TRANS ÍSTOR)
O relatório referente seráapresentado à disciplina de Laboratório de Eletrônica I, ministrada pelo professor Nelson Camelo, referente à primeira experiência realizada em laboratório.
São Luís 2010
2
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO (HISTÓRICO DA ELETRÔNICA) 2. DIODO SEMICONDUTOR 3. DIODO ZENER 4. TRANSÍSTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR 5. SIMULAÇÕES 6. TESTES COM MULTÍMETRO 6.1 TESTES COM DIODO 6.1.1 PROCEDIMENTO 1 6.1.2 PROCEDIMENTO 2 (OUTRO TIPO DE TESTE) 6.2 TESTES COM TRANSISTOR 6.2.1 TESTES DE RESISTENCIA 6.2.2 TESTES DE TENSÃO CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA SOFTWARES UTILIZADOS NA SIMULAÇÃO
04 05 06 07 10 12 12 12 13 14 14 16 17 17 18
3
1. INTRODUÇÃO (HISTÓRICO DA ELETRÔNICA)
A primeira válvula foi criada pelo cientista John AmbroseFlemming em 1904, isso
propiciou um avanço na criação de outros dispositivos e circuitos que permitiram a execução de muitas tarefas que estavam sendo descobertas pelo homem naquela época. Ela foi utilizada até meados da década de 80, sendo hoje um dispositivo raro, encontrado em rádios, televisores e aparelhos de som muito antigos Porém, muitos dispositivos que trabalham em frequências muito altas e que são ainda muito utilizados, derivam da válvula. A válvula diodo é composta por duas placas metálicas, colocadas numa cápsula de vidro em vácuo. Um filamento aquece uma das placas polarizada negativamente, denominada cátodo, gerando um fluxo de elétrons (corrente elétrica ) que atinge a segunda placa polarizada positivamente, denominada ânodo, conforme a figura abaixo:
Invertendo-se a polarização, fazendo-se com que o cátodo fique polarizado positivamente em relação ao ânodo, a corrente elétrica deixa de circular pela carga RL. Em 1908, DeForest acrescentou à válvula diodo uma terceira placa entre o cátodo e o ânodo, denominada de grade. A grade passou a exercer um controle do fluxo de elétrons, criando a possibilidade de amplificar sinais elétricos. Esta válvula foi chamada de tríodo. A válvula tríodo juntamente com a válvula diodo, foram as responsáveis pelo surgimento das transmissões sem fio, radio transmissão. A partir daí, a busca passou a ser a de melhorar o desempenho do circuito e, para isso, era necessário desenvolver uma tecnologia para aperfeiçoar os dispositivos. Em meados da década de 20, a teoria dos semicondutores surge como promessa tecnológica. Na década de 40, Desenvolve-se a física do estado sólido, que investiga a estrutura, as propriedades e o comportamento elétrico dos semicondutores. É nessa época 4
também que surge o diodo semicondutor, que substitui a válvula diodo, pois consome uma quantidade menor de energia e tem dimensões menores. Em seguida, surge o transistor, substituindo a válvula tríodo, e outros dispositivos que foram criados a partir da necessidade imposta pelos novos aparelhos que surgiram, e possibilitando o surgimento de outros mais.
2. DIODO SEMICONDUTOR
Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Possui uma queda de tensão de 0,3 V(germânio) e 0,7 V(silício). A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é
direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o ladodo cristal N(chamado de catodo). Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo (cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo (cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais(contém impurezas), a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm, que é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas, tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampères, chamada de corrente de fuga, que também é quase desprezível.
5
3
O
DIODO ZENER
diodo Ze e é um tipo d e diodo especialme te pro jetado para trabalhar sob o re ime d e
conduç o reversa, ou seja, acima datens o d e rupturada junç o PN. Embora o nome diodo Zen er tenha se popularizado com ercialmente, o nome mais preciso seriadiodo d e conduç o reversa, j que há dois f enômeno s en volvidos o ef eito Zener e o ef eito avalanche. El e dif er e do diodo convencional pelo fato de r eceber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provo ca a aproximaç o da curva na região de a valanche ao eixo vertical. Isto r eduz consideravelment e a tensão de ruptura e evidencia o ef eito Zener que é mais notável à tens es r elati vament e baixas (em torno de 5,5 Volts). O
diodo Zener pod e funcionar polarizado diretamente ou in versam ente. Quando está
polarizado diretamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduzcorrente
elétrica enquanto a tensão aplicada aos seus terminais for inf erior a aproximadamente 0,6 Volts no diodo d e silí cio ou 0,3 Volts no diodo d e germânio. partir d esta tensão mínima começa a condução elétrica, que inicialmente é p equena, mas que aumenta rapidamente, conforme a curva não linear d e corrente versus tensão. Por esse fato, a sua tensão d e condução não é úni ca, sendo considerada d entro da faixa de 0,6 a 0,7 Volts para o diodo d e silí cio. Qualquer diodo inversam ente polarizado praticamente não conduz corrente desd e qu e não ultrapasse a tensão d e ruptura. Na realidade, existe uma pequ ena corrent e inversa,
chamada de corrente de saturação, que ocorre devido unicamente à gera ção d e pares de elétron-lacuna na Z n
região
de
acontece a mesma coisa.
carga
espacial,
à temperatura
ambient e.
No d odo
dif erença é que, no diodo convencional, ao atingir uma
determinada tensão inversa, a corrent e inversa aumenta bruscamente (ef eito de a valanche),
causando o ef eito Joul e, e consequentemente a dissipação daenergia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possí vel r everter o processo. No d odo Z n , por outro lado, 6
ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um diodo comum), o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais.Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts,
12 Volts e 2 4 Volts. Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de diodos. Um dado importante na especificação do componente a ser utilizado é a potência do dispositivo. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mili Watts e 1 Watt. O valor da corrente máxima admissível depende dessa potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente
associado com uma resistência ligada em série, destinada
precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.
Curva Característica
Equivalente do diodo Zener no estado ligado e desligado. 7
4. TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR
Assim como o diodo semicondutor substituiu a válvula diodo, o transístor substituiu a
válvula diodo. Como visto, o diodo, quando polarizado diretamente, conduz eletricidade. O transístor introduz uma capacidade nova, que é a possibilidade de se controlar quanto de eletricidade é conduzida. Basicamente, um transistor é constituído pela combinação de dois diodos de junção PN. Uma junção PN é polarizada diretamente e a outra inversamente. A união desses dois componentes poderá ser feita de duas formas: união através do material P, para produzir um transistor NPN e união através do material N, para produzir um transistor PNP. No transístor NPN, a junção emissor-base do transistor deve ser polarizada diretamente. A corrente circula do emissor para a base. Os elétrons provenientes da área do emissor que chegam à área da base são solicitados por duas forças de atração: a primeira do terminal positivo da bateria do coletor e a outra do terminal do terminal, também positivo da bateria do emissor. A tensão existente entre o emissor e a base possui tensão muito baixa, da ordem de
0,1 V enquanto a tensão entre base e coletor oferece um valor bem mais elevado, por exemplo 6 V. Com isso podemos notar que a grande maioria dos elétrons, cerca de 97%, ao entrar na
área da base será atraída pela área de maior tensão, a área do coletor; apenas uma pequena parte não penetra na área da base e é atraída para o terminal positivo da bateria de polarização. Esses poucos elétrons fornecem a corrente de base, que possui um valor muito pequeno. Cada elétron que deixa o coletor deve ser substituído e essa substituição é feita pelo emissor que também deve ter seus elétrons substituídos, isso gera um fluxo contínuo de corrente. O transístor PNP funciona de forma similar ao transistor do tipo NPN, o transistor PNP tem a junção emissor-base polarizada diretamente, enquanto a junção base coletor é polarizada inversamente. Os portadores majoritários no transistor PNP são lacunas. Os elétrons do circuito externo passam para o coletor e daí para o emissor. As lacunas que penetram na área da base passam para o coletor onde serão preenchidas com elétron provenientes do terminal negativo da bateria de coletor. Os elétrons que chegam ao emissor são atraídos para o terminal positivo da bateria de polarização. Cada elétron que passa do emissor para a bateria de polarização, deixa uma lacuna em seu lugar. Como ocorre no transistor NPN, podemos aplicar uma pequena tensão de sinal a fim de produzir um sinal amplificado na saída do coletor.
8
Configurações: a- Emissor comum: Um transistor encontra-se na montagem emissor comum, quando a entrada é na base e a saída é no coletor, tendo o emissor como eletrodo comum. 9
b-
Base Comum: Neste caso a base está na entrada e na saída do circuito, ou seja, a base é o eletrodo comum.
c- Coletor Comum: Aqui a entrada é na base e a saída é no emissor, tendo o coletor como eletrodo comum.
Condições de Amplificação, Corte e Saturação: Conforme a polarização um transistor pode atuar em três regiões: região de corte, região ativa e região de saturação. Na região ativa, o transístor opera como amplificador e nas regiões de corte e saturação como chave, ou seja, serve para comutação, conduzindo ou não. O transistor trabalhará na região de corte caso a corrente de base seja menor ou igual a zero, dessa forma a corrente de coletor será nula.Por outro lado se trabalharmos com uma corrente de base entre zero e a corrente de saturação (IBS AT), iremos operar na região ativa. Para uma corrente de base acima de IBSAT, o transistor operará na região de saturação, ou seja, circular pelo coletor uma corrente limite (ICCSAT), imposta de acordo com a polarização.
5. SIMULAÇÕES
RESISTOR +0.04
Amps
1k
B1 D1
50V
1N4004
Modelo Real
10
Obs.: No modelo real o diodo conduz corrente, pois o sentido da polaridade é direta. Ainda há uma queda de tensão, como vemos na figura seguinte. D1 +0.04 1N4004
Amps
RESISTOR B1 50V
1k +49.2
Volts
Modelo Ideal, O Diodo éconsiderado uma chave simples
Conclui-se, com a simulação, que cada tipo diferente de diodo apresenta sua faixa de condução. Neste modelo virtual a medição é que mais se aproxima do ideal.
11
Curva característica do Transistor TBJ Nesta simulação, foi utilizado o Multisim para desenvolvimento do gráfico da curva característica do transistor de junção bipolar NPN, utilizando o IV ANALYSER que analisa os gráficos em relação a tensão x corrente.
6. TESTES COM MULTÍMETRO 6.1 TESTE EM DIODOS 6.1.1 Procedimento1: No teste inicial, mostraremos como fazer a prova de estado da junção de um diodo. a) Coloque o multímetro numa escala intermediária de resistências (x 10 ou x 100) e zere-o. Seestiver usando o provador de continuidade, coloque-o em condições de funcionamento. b) Retire o diodo do circuito em que se encontra ou levante um dos seus terminais, desligando-o docircuito. c) Meça a resistência ou continuidade nos dois sentidos (faça uma medida e depois outrainvertendo as pontas de prova).
12
A figura abaixo mostra como realizar essa prova usando o multímetro.
Interpretação da Prova: Um diodo em bom estado deve apresentar uma baixa resistência em um sentido (polarizaçãodireta) e uma alta resistência no sentido oposto (polarização inversa). Um diodo que apresente baixa resistência nos dois sentidos encontra-se em curto e altaresistência nos dois sentidos, se encontra aberto. A baixa resistência pode variar entre 10 ohms e 2 000 ohms conforme o diodo e não
representa aresistência que ele vai apresentar quando usado numa aplicação prática, mas sim a resistênciavista pelo multímetro em função de sua baixa corrente de teste. A resistência alta deve ser superior a 1 M ohms. Um diodo com resistência, na prova
inversa, entre10 000 ohms e 100 000 ohms apresenta fugas. Existem aplicações menos críticas, como fontes,em que essa resistência inversa ou fuga é tolerada.
6.1.2
Procedimento 2 (outro tipo de teste)
Muitos multímetros digitais e mesmo analógicos possuem uma função de prova específica paradiodos semicondutores. Nesta prova é usada uma corrente direta um pouco maior que aempregada na simples medida de resistências, de modo a se obter uma melhor condiçãode condução. Nesses casos, como o do multímetro ilustrado na figura abaixo, basta usar essa função no teste dediodos. 13
Procedimento a) Encaixa-se o diodo nos locais designados, ou então seleciona-se a função e liga-se o diodo às pontas de prova. b) Verifica-se a indicação de estado dada pelo multímetro. Interpretação da Prova A indicação é direta. O provador indica se o diodo está bom ou ruim (em curto, com fugas, aberto).
6.2 TESTE EM TRANSISTORES 6.2.1 Teste de resistência:
14
Considerando a equivalênciapara o tipo NPN dada notópico anterior, as junçõesemissor/base e coletor/baseestão, segundo Figura 01,diretamente polarizadas e,portanto, têm resistênciabaixa.
Na figura, as junçõesemissor/base e coletor baseestão inversamentepolarizadas. A resistênciadeve ser alta para ambas.Na medição entre coletor eemissor, a resistência deveser alta nos dois sentidos.
O transistor PNP opera de modo inverso. Na figura as junções coletor/base eemissor/base estãoinversamente polarizadas.
15
No transistor PNP da Figuraas junções coletor/base eemissor/base estãodiretamentepolarizadas,resultando em resistênciabaixa.A resistência entre coletor eemissor é alta nos doissentidos, da mesma forma dotipo NPN. Um defeito comum em transistores de potência é curto entre coletor e emissor, que podeser detectado por esses testes. Lembrar que certos tipos, como os de saída horizontal detelevisores e monitores, podem ter diodo interno entre emissor e coletor e tambémresistência interna entre base e emissor. Mas o curto citado é observado pela baixaresistência em ambos os sentidos.
6.2.2 Teste de tensão: Seria muito cômodo se, apenas com medições de tensões no circuito, fosse possívelafirmar a condição defeituosa de um transistor. Muitas vezes isso não ocorre. A Figura abaixo dá apenas uma orientação grosseira dos valores relativos de tensões em um transistorPNP de um circuito CC típico. Para um transistor NPN, apolaridade do multímetro(agora na escala de tensão)deve ser invertida. A tensãoentre emissor e base é emgeral bastante pequena,menos de 1 V. Repetindo, essasinformações são imprecisas,dependem muito do circuito,servem apenas como umaforma de "suspeita" do componente, antes de retirá-lo do circuito. Outro aspecto importante: consideram-se apenas circuitos CC de baixa tensão e potência.Cuidado com circuitos de alta tensão, alta freqüência ou alta potência. O instrumento podeser danificado e há risco de acidente. Em geral, há necessidade de pontas de prova e instrumentos especiais.
16
CONCLUSÃO É fundamental para todo profissional da Eletrônica saber como testar um componente.Se bem que existam técnicas simples que permitem avaliar o estado de determinadoscomponentes, umas são mais confiáveis e mais completas do que outras. Assim, também é preciso saber interpretar os resultados de um teste de modo a se ter
certeza deque o componente analisado está (ou não) em bom estado, ou apresenta pequenas deficiênciasque podem comprometer o funcionamento de um circuito mais crítico.
BIBLIOGRAFIA y
http://www.pt.wikipedia.g/wiki/transistores
y
BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, São Paulo: Pearson Prentice Hall, 8ª ed., 200 4
y
MALVINO, Albert Paul. Eletrônica: 4ª ed. São Paulo, 2006;
y
http://www.sabereletronica.com.br
y
mspc.eng.br/eletrn/comptest_110.shtml
17
SOFTWARES UTILIZADOS NA SIMULAÇÃO
y
PROTEUS ISIS 7
y
MULTISIM 10.1
18