Universidade Federal de Ouro Preto Instituto de Cin!ias "xatas e A#li!adas Curso de "ngenharia "l$tri!a % Ca&#us Jo'o (onlevade
PRÁTICA 01 – DIODOS SEMICONDUTORES E DIODOS ZENER
Alunos : Alexandre Rodrigues Arthur Ribeiro Daniel Ferrareis Igor Natividade
Professora : Sarah Jorge
1. Introdução O diodo $ u& !o&#onente eletr)ni!o se&i!ondutor *efeito de do#age&+ a&#la&ente usado na &ontage& de !ir!uitos el$tri!os devido a sua variedade de a#li!a,-es. Nesta #r/ti!a #odere&os observar o fun!iona&ento deste dis#ositivo e& u& !ir!uito el$tri!o tal !o&o suas a#li!a,-es0 variando desde u&a !have si&#les at$ u& retifi!ador de ondas. Observare&os o fun!iona&ento de u& ti#o es#e!1fi!o de diodo !ha&ado 2ener0 ou diodo regulador de tens'o. "ste dis#ositivo difere de u& diodo se&i!ondutor !o&u& #or ter u&a do#age& diferente *&aior ou &enor+. 3al ti#o de diodo !o&o o #r4#rio no&e 5/ di6 fun!iona sob efeito de u&a tens'o es#e!1fi!a0 !aso 7ue ser/ analisado adiante. 8 i&#ortante salientar 7ue #ara a reali6a,'o de tal #r/ti!a ser/ ne!ess/rio o !onhe!i&ento #r$vio do datasheet de todos os dis#ositivos usados.
2. Objt!"o# •
Conhe!i&ento do dis#ositivo Diodo Consulta ao Datasheet de u& Diodo !o&er!ial An/lise do fun!iona&ento de u& Diodo e& u& !ir!uito Utili6a,'o do Diodo !o&o u&a !have An/lise do fun!iona&ento de u& Diodo 2ener 9erifi!a,'o da teoria na #r/ti!a
$. M%tr!%!# ut!&!'%do# • • • • • • •
Diodo retifi!ador Diodo 6ener Resistn!ias Fonte de tens'o !ontinua erador de sinais Os!ilos!4#io (ult1&etro digital
(. R"!#ão )!b&!o*r+,!-% D!odo S!-ondutor O diodo se&i!ondutor $ u& dis#ositivo eletr)ni!o feito de sil1!io ou ger&;nio !onstitu1do #or u&a 5un,'o PN0 sendo esta u&a !o&bina,'o f1si!a de &ateriais !o& alta !on!entra,'o de !argas #ositiva *P+ e &ateriais !o& alta !on!entra,'o de !argas negativas *N+. "sta !o&bina,'o de &ateriais $ !ha&ada do#age& eletrost/ti!a e $ a res#ons/vel #elo fun!iona&ento de u& diodo.
Figura 1 - Simbolo Diodo
Figura 2 - Junção PN
3al dis#ositivo t& !o&o fonte ele&entar de fun!iona&ento a #assage& da !orrente e& a#enas u& sentido de#endendo ex!lusiva&ente de sua #osi,'o no !ir!uito el$tri!o. Caso o diodo este5a e& u&a !onfigura,'o de #olari6a,'o direta a !orrente fluir/ nor&al&ente sobre ele fun!ionando basi!a&ente !o&o u& !urto !ir!uito. Caso o diodo este5a e& u&a !onfigura,'o de #olari6a,'o indireta e& rela,'o a fonte o dis#ositivo se !o&#orta !o&o u& !ir!uito aberto i&#edindo a #assage& de !orrente #or ele. "ste fun!iona&ento se d/ #ela 5un,'o PN onde !ada fa!e do &aterial #ossui u&a deter&inada !ara!ter1sti!a o#osta a outra fa!e0 gerando regi-es de !ondu,'o. O es7ue&a de #olari6a,'o direta e #olari6a,'o inversa de u& diodo #ode ser !lara&ente visto na figura abaixo :
Figura 3 - Polarização Direta
Figura 4 - Polarização Indireta
Figura 5 - Polarização do Diodo
Po&%r!'%ção D!rt% : A #olari6a,'o de u& diodo $ dita direta 7uando o #4lo #ositivo da fonte geradora *<9+ en!ontra%se ligado ao #4lo #ositivo do diodo *P+ !o&u&ente !ha&ado de anodo e o #4lo negativo da fonte ali&entadora do !ir!uito *%9+ entra e& !ontato !o& o #4lo negativo do diodo *N+ !ha&ado de !atodo. =uando a tens'o da fonte ali&entadora do !ir!uito atinge u& valor &aior 7ue a tens'o interna do diodo * Diodos de sil1!io geral&ente t& u&a tens'o interna de <>0?9+ as !argas livres ir'o se re#elir e !onseguir'o ultra#assar a 5un,'o PN0 se &ovi&entando e o!orrendo a #assage& de !orrente el$tri!a. "& outras #alavras o #4lo #ositivo do diodo *P+ torna%se ainda &ais #ositivo e o lado *N+ ainda &ais negativo fa6endo !o& 7ue as !argas atravesse& a 5un,'o e o!orra a #assage& de !orrente el$tri!a.
Figura 6 - Polarização Direta
Po&%r!'%ção In"r#% : A #olari6a,'o inversa de u& diodo o!orre inversa&ente / #olari6a,'o direta0 #4lo #ositivo da fonte *<9+ !one!tado ao #4lo negativo do diodo *N+ e #4lo negativo da fonte *%9+ ao #4lo #ositivo do diodo *P+. Na #olari6a,'o inversa o!orrer/ u&a atra,'o das la!unas do #4lo #ositivo do diodo *P+ #ela #olari6a,'o negativa da fonte ali&entadora do !ir!uito e u&a atra,'o dos el$trons livres do !/todo *N+ #ela #olari6a,'o #ositiva da fonte geradora. U&a ve6 7ue n'o existe u& fluxo de !argas livres na 5un,'o PN n'o haver/ fluxo de !orrente el$tri!a no diodo.
Figura - Polarização !e"er#a
Cur"% -%r%-tr/#t!-% d u d!odo : Curva !ara!ter1sti!a do Diodo $ dada #ela rela,'o entre tens'o *9+ e !orrente *I+ atrav$s do dis#ositivo. Atrav$s da !urva !ara!ter1sti!a $ #oss1vel observar o &odelo de a#roxi&a,'o do diodo usado e seu fun!iona&ento. Os &odelos de diodo s'o ideal0 se&i%ideal e diodo de sil1!io 7ue ser/ usado nesta #r/ti!a.
Figura $ - %on&guraç'e# Diodo
Figura ( - %ur"a %ara)ter*#ti)a de um Diodo de Sil*)io
Figura 1+ - Diodo em %orte
D!odo Znr O diodo 2ener ou diodo regulador de tens'o $ u& dis#ositivo eletr)ni!o se&elhante ao diodo se&i!ondutor0 $ #ro5etado #ara o#erar e& u&a regi'o !o& tens-es a!i&a da regi'o de ru#tura da 5un,'o PN. O dis#ositivo 2ener atua !o&o regulador de tens'o &antendo a tens'o !onstante e& u&a !arga inde#endente da varia,'o da tens'o de linha e da resistn!ia na !arga. U&a ve6 atingida sua tens'o de ru#tura ela se &anter/ !onstante ao longo de todo o fun!iona&ento do !ir!uito. 3al dis#ositivo assi& !o&o o diodo se&i!ondutor #ossui u&a !onfigura,'o ideal e u&a !onfigura,'o real0 sendo re#resentadas nas i&agens abaixo :
Figura 11 - Diodo ,ener Ideal
Figura 12- Diodo ,ener !eal
Seu fun!iona&ento se baseia na introdu,'o de resistores e& s$ries 7ue li&ita& a !orrente sobre o 2ener0 li&itando assi& a !orrente I6 7ue flui #elo diodo. Para u&a !orrente &aior 7ue a !orrente no&inal *!orrente &/xi&a su#ortada #elo diodo+ ele se 7uei&aria !o&o 7ual7uer outro !o&#onente eletr)ni!o0 #or isso a resistn!ia e& s$rie $ t'o i&#ortante #ara o seu fun!iona&ento ideal. 9ale salientar 7ue os valores de #otn!ia &/xi&a0 de tens'o &/xi&a e de !orrente no&inal de 7ual7uer dis#ositivo #ode& ser en!ontrados no seu Datasheet.
Figura 13 - %ir)uito Diodo ,ener
Figura 14 - ,ona de Fun)ionamento %orrente no Diodo ,ener
. Rot!ro r+t!-o r#u&t%do#
En#%!o 1 01 !onsultar a folha de es#e!ifi!a,-es do diodo IN@>>? e #reen!her a tabela: 3ens'o direta a !orrente &/xi&a *9F+ Corrente &$dia direta &/xi&a % IF *A9+ (/xi&a tens'o reversa de #i!o re#etitiva *9RR(+
0>9 0>A Bv
02 Cal!ular a !orrente e a tens'o nos ter&inais do diodo *ideal e tens'o !onstante+ dos seguintes !ir!uitos: C!r-u!to 1
Figura 15 - %ir)uito +1 n#aio +1
Neste !ir!uito o diodo en!ontra%se direta&ente #olari6ado0 logo #assa !orrente #or seus ter&inais0 sendo assi&: Vd =0 V
Id =
12 680
=
17,65 mA
C!r-u!to 2
Figura 16 - %ir)uito +2 n#aio +1
Neste !ir!uito o diodo en!ontra%se reversa&ente #olari6ado0 logo n'o #assa !orrente #or seus ter&inais0 sendo assi&: Vd =12 V
Id =0 A
C!r-u!to $
Figura 1 - %ir)uito +3 n#aio +1
Para esta !onfigura,'o deve%se #ri&eiro !al!ular as tens-es nos ter&inais do diodo devido aos divisores de tens'o0 e assi& verifi!ar se o diodo est/ ou n'o direta&ente #olari6ado. V 1 =
V 2 =
12∗680 220 + 680
12∗330 390+ 330
=
9,066 V
=
5,5 V
ogo : V 2 −V 1 =−3,566 V
9erifi!ando ent'o 7ue o diodo se en!ontra reversa&ente #olari6ado te&os a seguinte tens'o e !orrente : Vd =−3,566 V
Id =0 A
C!r-u!to (
Figura 1$ - %ir)uito +4 n#aio +1
Usando os valores de 9 e 9 obtidos no ite& anterior obte&os : V 1 −V 2 =3,566 V
9erifi!ando ent'o 7ue o diodo se en!ontra direta&ente #olari6ado te&os 7ue :
Vd =0 V
Sendo a tens'o sobre o Diodo igual a > *!onsiderando o diodo !o&o u& !o&#onente ideal+ te&os a seguinte ex#ress'o : Id =
12 V 2 −
220
−
V 2
680
=
10,83 mA
0$ (ontar os !ir!uitos do ite& e &edir a tens'o e !orrente no diodo e !o&#arar !o& os valores !al!ulados: C!r-u!to 013
Figura 1( - .ontagem %ir)uito +1
C!r-u!to 023
Figura 2+ - .ontagem %ir)uito +2
C!r-u!to $3
Figura 21 - .ontagem %ir)uito +3
C!r-u!to (3
Figura 22 - .ontagem %ir)uito +4
Medido Circuit o Vd 1 2 3 4
Calculado Id
16,2m 680mV A 11.8V 0A -3.52V 0A 600mV 8,2mA
Vd
Id
0V 12V -3,566V 0V
17,65mA 0A 0A 10,83mA
0( Obter as for&as de onda da tens'o e& !ada !ir!uito. C!r-u!to 01
Figura 23 - Forma de /nda %ir)uito +1
C!r-u!to 02
Figura 24 - Forma de /nda %ir)uito +2
C!r-u!to 0$
Figura 25 - Forma de /nda %ir)uito +3
C!r-u!to 0(
Figura 26 - Forma de /nda %ir)uito +4
En#%!o 23
01 Cal!ular as !orrentes e tens-es indi!adas no !ir!uito abaixo:
Figura 2 - %ir)uito +1 n#aio +2 Vr =12−6,8 =5,2 V
Iz = Ir =
5,2 68
=
76,47 mA
02 Colo!ar u&a !arga resistiva de >E na sa1da do !ir!uito e re!al!ular as tens-es e !orrentes.
Figura 2$ - %ir)uito +2 n#aio +2
Vr =12−6,8 =5,2 V
Ir =
5,2 68
=
76,47 mA
Usando a lei de Bir!hhoff te&os 7ue: Ir = Iz + IL
Sendo: IL=
6,8 120
=
Obte&os:
56,66 mA
Iz = Ir − IL=19,81 mA
0$ (ontar os !ir!uitos dos itens > e >. (edir as tens-es e !orrentes e !o&#arar !o& os valores !al!ulados.
Figura 2( - .ontagem %ir)uito +1
Figura 3+ - .ontagem %ir)uito +2
Circui tos Circui to 1 Circui to 2
Medido Vr
Ir
Iz
5,1V
69,8 mA
69,8 mA
4,9V
73,5 mA
18,7 mA
Calculado IL 52,3 mA
Vr 5,2V 5,2V
Ir
Iz
IL
76,47 76,47 mA mA 76,47 mA
19,81 mA
56,66 mA
0( (ontar o !ir!uito abaixo e a#li!ar u&a entrada e& for&a de onda senoidal de >9##0 > G6. Obter a for&a de onda.
Figura 31 - %ir)uito Diodo ,ener
Figura 32 - Forma de /nda 0er)*)io +4
Obs : Devido a qualidade da foto do osilos!"io #$o se% boa, o i%uito foi simulado #o &'()*+*& e oloado #o %elat!%io. "ossvel obse%va% que a sada se ma#tm em 3.3V aso que / e%a es"e%ado devido a "%ese#a de um diodo e#e%. A sada e#o#t%a-se desloada de a"%oimadame#te 0,7V fato tambm es"e%ado omo demo#st%ado #a "a%te te!%ia.
4. Con-&u#ão No ensaio > devido a !onsidera,'o de u& Diodo Ideal foi #oss1vel #er!eber 7ue os valores !al!ulados !o& os valores &edidos fora& u& #ou!o dis!re#antes devido a 7ueda de a#roxi&ada&ente >0?9 no Diodo. Se !onsiderada a 7ueda nos !/l!ulos os valores !erta&ente fora& bastante satisfat4rios e #elas &edi,-es e !/l!ulos foi #oss1vel #er!eber o fun!iona&ento do diodo !lara&ente0 fora& entendidos os !on!eitos de #olaridade reversa e direta&ente #olari6ado. No ensaio > o Diodo 2ener se !o&#ortou !o&o o es#erado0 ao atingir a sua tens'o &/xi&a esta se &anteve !onstante e& a&bos os !asos sendo o resultado bastante satisfat4rio. Foi #oss1vel observar 7ue ao !olo!ar&os u&a resistn!ia a !orrente no 2ener variou de a!ordo !o& os !/l!ulos. Analisando todos os resultados a #r/ti!a o!orreu be& e foi bastante satisfat4ria tanto no 7uesito de a#rendi6age& 7uanto de resultados.
R,r5n-!%# )!b&!o*r+,!-%#
41 &A(V*O, Albe%t aul 9let%#ia +$o aulo &;%a<- =ill, 1>87 42 ?O@(9+)AD, ., asBelsC, (., Dis"ositivos 9let%#ios e )eo%ia de i%uitos 10E 9d.
