apostila ea 1 diodos 2014 oficial

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Fundamentos e Guias de Aulas Prticas Ensino Tcnico

Volume 1 - DIODOS

PROF. ANDR BARROS DE MELLO OLIVEIRA

LED diode

CAMPUS VARGINHA EDIO 2014

Eletrnica Analgica Fundamentos e Guias de Aulas Prticas ii

Campus Varginha

Av. dos Imigrantes, 1000. Bairro Vargem. Varginha MG. CEP: 37.022-560. Telefone: (35) 3690 4200. Homepage: http://www.varginha.cefetmg.br

CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Tcnico de Mecatrnica. Edio 2014. iii

Prefcio

Este texto oferece um material bsico de referncia para as aulas tericas e prticas da disciplina Eletrnica

Analgica e de Potncia, do Curso Tcnico de Mecatrnica.

Para o bom aproveitamento deste material, foi pensada e posta em prtica uma sequencia que possibilita a

consolidao dos conceitos tericos atravs da leitura dos tpicos, dos exemplos resolvidos e da resoluo de

problemas e exerccios, incluindo exerccios de simulao. Alm disso, foram inseridos vrios guias de aulas prticas

(para trabalhos em grupos de at cinco alunos).

Este volume apresenta a teoria e as aplicaes dos principais diodos semicondutores: diodo retificador, diodo

LED e diodos zener. So apresentadas tambm vrias simulaes, atravs do PSpice

, um software consagrado

utilizado por engenheiros, pesquisadores, professores e estudantes no mundo inteiro.

Vale salientar que o presente texto no deve substituir a literatura tcnica da rea, pois as referncias

bibliogrficas so, alm de base desta obra, muito enriquecedoras em aspectos tericos e prticos. O bom aluno deve

sempre ler e pesquisar os assuntos referentes a esta disciplina do curso nos excelentes livros editados em portugus,

alm de apostilas e tutoriais disponveis na Internet.

Pede-se a compreenso dos alunos e professores pelos eventuais erros. Assim sendo, so imensamente bem-

vindas as crticas, sugestes e correes, que certamente contribuiro para a melhoria deste material didtico, que

brevemente, poder se transformar em livro.

Varginha, abril de 2014.

Professor Andr Barros de Mello Oliveira.

E-mail: [email protected]

Eletrnica Analgica Fundamentos e Guias de Aulas Prticas iv

Agradecimentos

Em primeiro lugar, agradeo a Deus pelo dom da vida e por ter me proporcionado sade e vontade para

realizar este trabalho.

Agradeo aos professores Mrcio Silva Baslio, diretor geral do CEFET-MG, Gilze Belm Chaves Borges,

diretora do Campus Varginha e Wanderley Xavier Pereira, coordenador do curso tcnico de Mecatrnica, pelo

constante incentivo para a produo de um material didtico de qualidade.

Agradeo ao tcnico de laboratrio da rea Eletroeletrnica, Antnio Carlos Borges, pelo constante apoio

durante a elaborao de vrias aulas prticas e tambm aos alunos das disciplinas Circuitos Eltricos e Eletrnica

Analgica e de Potncia, pelas dicas de melhoria das transparncias e guias de aulas prticas, material de base para

este texto.

Por ltimo, um agradecimento especial Grfica do CEFET-MG, localizada no Campus I, em Belo

Horizonte, que sempre nos atendeu com timos servios de impresso e encadernao, sempre dentro do prazo.

Andr Barros.

CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Tcnico de Mecatrnica. Edio 2014. v

BIOGRAFIA

Andr Barros de Mello Oliveira nasceu em Belo Horizonte, Minas Gerais, em 17 de julho de 1969. Formou-se em

Engenharia Industrial Eltrica pelo Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais (CEFET-MG), em

dezembro de 1992. Obteve o ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica pela Universidade Federal de Minas Gerais

(UFMG), em dezembro de 1998, na rea de Eletrnica de Potncia. Atuou como professor em Escolas de formao

tcnica em Belo Horizonte, como o SENAI, a Utramig, o SESI e o CEFET-MG, at 2001. De 2001 a 2006 foi

professor/pesquisador nos cursos de Engenharia de Telecomunicaes e de Engenharia Eltrica do Centro

Universitrio de Belo Horizonte (Uni-BH). Desde outubro de 2006 professor do CEFET-MG em Varginha, tendo

atuado nos cursos tcnicos de Informtica Industrial e Mecatrnica, at 2009. Atualmente professor no curso

tcnico de Mecatrnica, onde, alm de ministrar aulas, vem orientando alunos nos programas de Iniciao Cientfica

e de Estgio Supervisionado.

Eletrnica Analgica Fundamentos e Guias de Aulas Prticas vi

Lista de alguns termos e siglas da rea Eletroeletrnica

A - Abbreviation for "ampere" a unit of electrical current.

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. rgo responsvel pela normalizao tcnica no Brasil,

fornecendo a base necessria ao desenvolvimento tecnolgico brasileiro. Trata-se de uma entidade privada e sem fins

lucrativos e de utilidade pblica, fundada em 1940.

AC/DC - Equipment that will operate on either an AC or DC power source.

AC generator - Device used to transform mechanical energy into AC electrical power.

AC voltage - A voltage in which the polarity alternates.

AC Alternating Current. Polarity current moving from positive to negative.

Amplitude - the strength of an electronic signal.

AOP ou Amp-Op Amplificador Operacional.

ANSI American National Standards Institute, Instituto de normas dos Estados Unidos que publica recomendaes e

normas em praticamente todas as reas tcnicas.

AWG - Abbreviation for "American wire gauge". A gauge that assigns a number value to the diameter of a wire.

Beta - (b) The ratio of collector current to base current in a bipolar junction transistor (BJT).

Bipolar junction transistor - (BJT), A three terminal device in which emitter to collector current is controlled by base

current.

BJT Bipolar Junction Transistor.

CA Corrente Alternada.

CAD - Abbreviation for "computer aided design"

Center TAP - Midway connection between the two ends of a winding.

Center tapped rectifier - Circuit that make use of a center tapped transformer and two diodes to provide full wave

rectification.

Center tapped transformer - A transformer with a connection at the electrical center of a winding.

CC Corrente Contnua.

DC Direct Current (corrente contnua).

Direct Current / DC - consistent current that moves in one direction.

Earth - a source that grounds the rest of the electronics.

Farad - a unit of measurement used with capacitance.

GND de Ground (terra). Potencial de referncia de um circuito eltrico, tomado como nvel zero (0 V).

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrnicos)

LCD Liquid Cristal Display (Tela de Cristal Lquido)

LDR Light Dependent Resistor

LED - Light Emitting Diode (diodo emissor de luz)

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

- Rendimento.

Op-Amp Operational amplifier.

RMS Root Mean Square (valor mdio quadrtico).

RPM (ou rpm) Rotaes por minuto.

TJB - transistor (ou transistor) de juno bipolar.

VCC Tenso Contnua (o mesmo que VDC).

RMS - acronym meaning Root Mean Squared.

Volt - unit measuring electromotive force.

Watt - unit measuring power.

Fontes:

1) Glossary / Dictionary of Electronics Terms, em http://www.hobbyprojects.com/dictionary/a.html 2) Glossary of Electronic Terms - http://www.datarecoverylabs.com/electronic-glossary.html

3) Electronic Engineering Electronic - http://www.interfacebus.com/Glossary-of-Terms.html

INTERESSANTE!

http://www.linguee.com.br/ingles-portugues/traducao/electrical+diagram.html

CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Tcnico de Mecatrnica. Edio 2013. vii

Alfabeto Grego

Maisculas Minsculas Nome

Clssico Prefixos SI

*

A Alfa

Fator Prefixo Smbolo

10-3

mili m

10-6

micro 10

-9 nano n

10-12

pico p

103 quilo k

106 mega M

109 giga G

1012

tera T

* SI: Sistema Internacional de Unidades, um conjunto sistematizado e padronizado de

definies para unidades de medida, utilizado em quase todo o mundo moderno, que

visa a uniformizar e facilitar as medies e as relaes internacionais da decorrentes.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

Fonte: http://itp.nyu.edu/physcomp/uploads/arduino_bb_pot_transistor_motor_diode.png

B Beta

Gamma

Delta

E Epsilon

Z Zeta

H Eta

Theta

I Iota

K Kappa

Lambda

M Mu

N Nu

Xi (ksi)

O Omicrn

Pi

P Rho

Sigma

T Tau

Y Upsiln

Phi

X Chi

Psi

mega

"Escola de Atenas", Rafael Sanzio. Retrata filsofos gregos e personalidades da poca do pintor.

Fonte: http://www.drsa.com.br/wp-content/uploads/2010/10/escola_atenas_rafael.jpg.

Eletrnica Analgica Fundamentos e Guias de Aulas Prticas Volume 1 - DIODOS viii

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CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Tcnico de Mecatrnica. Edio 2013. ix

SUMRIO

Captulo 1 Diodos: caractersticas, operao, circuitos e aplicaes ................................................................... 11

1.1 - Histrico da Eletrnica (Fatos Relevantes) ..................................................................................................... 11

1.2 Diodos: caractersticas construtivas e operao ............................................................................................ 15

1.2.1 Condutores e Semicondutores ................................................................................................................. 15

1.2.2 Estrutura Cristalina .................................................................................................................................. 16

1.2.3 Alterao das propriedades eltricas de um material semicondutor ........................................................ 19

1.2.4 Materiais Extrnsecos - Tipos p e n ......................................................................................................... 20

1.2.5 - Fluxo de Eltrons x fluxo de Lacunas ...................................................................................................... 21

1.2.6 Juno PN: a construo do diodo ........................................................................................................... 22

1.2.7 Curva Caracterstica do diodo. Aproximaes e modelos ....................................................................... 24

1.2.8 Especificaes Tcnicas e Teste do Diodo .............................................................................................. 30

1.3 Portas Lgicas com Diodos ............................................................................................................................ 34

1.3.1 Porta Lgica E (AND) ............................................................................................................................. 34

1.3.2 Porta Lgica OU (OR) ............................................................................................................................. 34

1.4 Circuitos com Diodos ...................................................................................................................................... 37

1.4.1 Configuraes em SRIE ........................................................................................................................ 37

1.4.1.1 Anlise por Reta de Carga .................................................................................................................... 39

1.4.2 Configuraes em Paralelo e Mistas (srie-palarela) ............................................................................... 42

1.5 Dispositivos Especiais ..................................................................................................................................... 44

1.5.1 Diodos LED e Display de 7 Segmentos .................................................................................................. 44

LR 1 - Leitura Recomendada: Por que uma lmpada de LED mais econmica? ............................................. 50

LR 2 - LED x Incandescente x Fluorescente ....................................................................................................... 50

Recommended Reading: Colours of LEDs. ......................................................................................................... 52

1.5.2 Sensores de Luz ....................................................................................................................................... 54

1.5.2.2 O Dispositivo Optoacoplador ............................................................................................................... 56

1.5.3 Sensores de Temperatura: NTC e PTC .................................................................................................... 56

1.6 Circuitos Retificadores (CA-CC) .................................................................................................................... 58

1.6.1 O Transformador ..................................................................................................................................... 59

1.6.2 Retificador de Meia-Onda (MO) ............................................................................................................. 60

1.6.3 - Retificador Monofsico de Onda-Completa (OC) .................................................................................... 66

1.7 Projeto de Filtro Capacitivo em Retificadores ................................................................................................ 74

1.7.1 Filtro capacitivo em um retificador operao e parmetros .................................................................. 74

1.8 Circuitos Ceifadores e Grampeadores ............................................................................................................ 80

1.8.1 Ceifador tipo Srie ................................................................................................................................... 80

1.8.2 Ceifador tipo Paralelo .............................................................................................................................. 82

1.8.3 Circuitos Grampeadores .......................................................................................................................... 86

Eletrnica Analgica Fundamentos e Guias de Aulas Prticas Volume 1 - DIODOS x

1.9 Diodos Zener ................................................................................................................................................... 92

1.9.1 - Diodo Zener: conceito, simbologia e aplicaes ...................................................................................... 92

1.9.2 Topologias de Regulao de tenso com o diodo Zener .......................................................................... 93

Apndice I Listas de Exerccios e Prolemas (LEPs) .............................................................................................. 99

Apndice II Guias de Aulas Prticas .................................................................................................................... 112

Aula Prtica 1 Medio de Valores Caractersticos atravs do Osciloscpio Digital ....................................... 113

Aula Prtica 2 A Curva Caracterstica do Diodo Retificador (I x V) ................................................................ 118

Aula Prtica 3 Diodos LED e Display de 7 segmentos ........................................................................................ 123

Aula Prtica 4 Portas Lgicas com Diodos .......................................................................................................... 126

Aula Prtica 5 Retificador Monofsico de onda e de onda completa Carga R e RC ................................ 129

Aula Prtica 6 Circuitos Limitadores e Grampeadores de Tenso ................................................................... 134

Aula Prtica 7 Regulador de Tenso com Zener: operao e medies ............................................................ 137

Apndice III Plano de Ensino da Disciplina Eletrnica Analgica e de Potncia............................................. 140

Apndice IV A Matriz de Contatos (protoboard) ................................................................................................. 143

Apndice V Cdigos de Cores de Resistores 4 e 5 Faixas ................................................................................ 145

Apndice VI Principais diodos ZENER - Parmetros ........................................................................................ 146

Apndice VII Anlise Computacional para Circuitos Eltricos e Eletrnicos ................................................. 148

Referncias Bibliogrficas ........................................................................................................................................ 150

11

Captulo 1 Diodos: caractersticas, operao, circuitos e aplicaes Captulo

11 Diodos: caractersticas, operao, circuitos e aplicaes

1.1 Histrico da Eletrnica (Fatos Relevantes). 1.2 Diodos: caractersticas construtivas e operao. 1.3 Portas lgicas com diodos. 1.4 Circuitos com Diodos. 1.5 Dispositivos Especiais. 1.6 Circuitos Retificadores (CA-CC). 1.7 Projeto de Filtro Capacitivo em Retificadores. 1.8 Circuitos ceifadores e grampeadores. 1.8 Diodos Zener.

1.1 - Histrico da Eletrnica (Fatos Relevantes)

A Eletrnica a cincia que estuda meios de controle da energia eltrica em diversos sistemas, com

o uso de tecnologias onde os semicondutores ocupam o papel principal. A Fig. 1 mostra alguns tipos de

diodos, que tm aplicaes em diversos circuitos, como em fontes de corrente e tenso contnuas (CC),

em sinalizadores de nvel (diodos LED ou emissores de luz) e outros.

Fig. 1 Tipos de Diodos, em encapsulamento discreto e integrado (em ponte). Fonte: http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/diodo/diodos.png

No site do Wikipdia, v-se uma definio mais abrangente:

(...) podemos dizer que a eletrnica o ramo da cincia que estuda o uso de circuitos formados por

componentes eltricos e eletrnicos, com o objetivo principal de representar, armazenar, transmitir ou

processar informaes alm do controle de processos e servo mecanismos. Sob esta tica, tambm se pode

afirmar que os circuitos internos dos computadores (que armazenam e processam informaes), os sistemas

de telecomunicaes (que transmitem informaes), os diversos tipos de sensores e transdutores (que

representam grandezas fsicas - informaes - sob forma de sinais eltricos) esto, todos, dentro da rea de

interesse da Eletrnica.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletrnica.

Pode-se dividir a Eletrnica em dois formatos: analgica e digital. A Eletrnica Analgica, que

ser estudada neste texto, como o prprio nome diz, processa sinais eltricos analgicos, os quais tm

variao contnua em relao ao tempo. A sua representao mais caracterstica uma curva, como

mostra a Fig. 2.

Um sinal digital aquele onde h descontinuidade (valores discretos) no tempo e em amplitude

veja a Fig. 3. Este ltimo estudado na disciplina Sistemas Digitais e tem aplicaes diversas, como nos

microprocessadores e microcontroladores.

Eletrnica Analgica Fundamentos e Guias de Aulas Prticas Volume 1 - DIODOS 12

Fig. 2 Sinal Analgico. Fig. 3 Sinal Digital.

A seguir, a Tabela 1 apresenta alguns fatos histricos que contriburam para o desenvolvimento

da Eletrnica, com especial destaque para o surgimento do transistor.

aconselhvel ao leitor uma pesquisa na internet, onde se encontram diversos trabalhos a

respeito da evoluo da Eletrnica e dispositivos ver tambm como tema de pesquisa a histria da

computao.

Tabela 1 - Fatos marcantes para o desenvolvimento da Eletrnica.

Year Event

1895 Marconi first radio transmission

1904 Fleming Valve (Diode Vacuum Tube)

1907 Deforest Triode vacuum tube (Audion) Age of electronics begins

1905 TV demonstrated

1940 Radar developed during Word War II

1947

Bipolar transistors

invented by Bardeen,

Brattain & Shockley at

Bell Laboratories

1952 Commercial production of silicon bipolar transistors at Texas Instruments

1956 Bardeen, Brattain & Shockley receive Nobel Prize for invention of bipolar transistor

1958 Simultaneous development of the integrated circuit by Kilby (2000 Nobel Prize) at Texas

Instruments & Noyce and Moore at Fairchild Semiconductor

1961 First commercial digital IC available from Fairchild Semiconductor

1967 First Semiconductor RAM (64bits) discussed at the IEEE International Solid-Sate Circuits

Conference (ISSCC)

1968 Introduction of the first commercial IC operational amplifier the A 709 by Fairchild

Semicnductor

1971 Introduction of the 4004 microprocessor by Intel

1978 First 16 bit Microprocessor

CEFET-MG. Campus Varginha. Curso Tcnico de Mecatrnica. Edio 2013. 13

A inveno da vlvula trodo em 1907, por Lee de Forest inaugura a era da Eletrnica.

Aperfeioando a vlvula dodo, inventada por Fleming poucos anos antes, Forest construiu o primeiro

dispositivo eletrnico capaz de amplificar tenses eltricas.

Segundo Newton Braga, entre as 10 invenes mais importantes do milnio, o transistor ocupa um

lugar de destaque (BRAGA, 2013). Se hoje temos computadores pessoais, telefones celulares, e muitos

outros equipamentos eletrnicos compactos e baratos graas inveno deste componente.

Reading

The transistor is the key active component in practically all modern electronics. Many consider it

to be one of the greatest inventions of the 20th century. Its importance in today's society rests on its

ability to be mass-produced using a highly automated process (semiconductor device fabrication) that

achieves astonishingly low per-transistor costs. The invention of the first transistor at Bell Labs was

named an IEEE Milestone in 20091.

As Figuras 4, 5, 6, 7 e 8 apresentam de modo grfico alguns dos fatos relatados na Tabela 1 - em

resumo -, a evoluo da vlvula at o CI, circuito integrado.

As vlvulas terminicas ou eletrnicas so hoje qualificadas como ultrapassadas, obsoletas,

volumosas e tambm grandes consumidoras de energia eltricas.

Mas elas ainda resistem em aplicaes especficas. No uso domstico, esto presentes em fornos de

microondas (magntron) e em televisores e monitores de vdeo (CRTs tubo de raios catdicos de

imagem). Este ltimo est perdendo o lugar para telas de cristal lquido (e de outros tipos como a de

LEDs). Tambm so usadas em equipamentos industriais, radares, transmissores de potncia etc.

Alm do volume e do consumo de energia para aquecimento, uma outra desvantagem das vlvulas

em relao aos semicondutores so as tenses altas que precisam para operar. O filamento aquecido

com tenso baixa (5V; 6,3V; 12V etc), mas a placa requer valores bem maiores. Valores tpicos para

aparelhos comuns esto na faixa de 100 a 300 V. Vlvulas de alta potncia requerem em geral alguns

milhares de volts.

Fonte: http://www.amplificadores.com.br

Fig. 4 Esquema da vlvula a triodo.

1 "Milestones: Invention of the First Transistor at Bell Telephone Laboratories, Inc., 1947". IEEE Global History Network. IEEE.

Retrieved 3 August 2011.


Fig. 5 A inveno do Transistor Bipolar, em 1947.

Fig. 6 Diagrama esquemtico e montagem do primeiro CI 1958.

Fig. 7 O primeiro CI disponvel no mercado porta lgica RTL.

Fig. 8 - Evoluo da Eletrnica: da vlvula at o circuito integrado.

Fonte: http://www.beatriceco.com/bti/porticus/bell/images/tube-trans_history.jpg

1947 Bipolar Transistorinvented by Bardeen, Brattain & Shockley at

Bell Laboratories 1958O primeiro CI, circuito

integrado, fabricado

pela Texas InstrumentsImplementao do primeiro CI.

1962

Resistor-transistor logic

(RTL) First IC with

wide acceptance in the

comercial market

A 3-input RTL

NOR gate circuit

Logic symbol for a

2-input RTL NOR

gate circuit

Photomicrograh of a 3-input RTL NOR gate


1.2 Diodos: caractersticas construtivas e operao

1.2.1 Condutores e Semicondutores

O modelo atmico de Bohr (devido ao cientista Niels Bohr) apresenta o tomo constitudo por:

ncleo (prtons + nutrons) e eletrosfera (eltrons em movimento) Fig. 9. Ex.: tomo de Silcio (Si),

com 14 eltrons orbitando em torno do ncleo, onde esto os 14 prtons e 14 nutrons.

Fig. 9 Representao do Modelo atmico de Bohr. Fonte:

http://www.gtcceis.anl.gov/images/photos/AtomNucleus.jpg.

Com base neste modelo, classificam-se os materiais eltricos em trs tipos (veja a Tabela 2):

Tabela 2 Tipos de materiais eltricos, de acordo com a resistividade (inverso da condutividade).

Condutor Semicondutor Isolante

Cobre: 10-6 .cm Germnio (Ge): 50 .cm

Silcio (Si): 50 x 103 .cm Mica: 10+12 .cm

a) Condutor: material que sustenta um fluxo de carga, quando uma fonte de f.e.m. de amplitude limitada

aplicada a seus terminais. Apresentam um e- livre na ltima camada (camada de valncia

2). A

resistividade nesse tipo de material muito baixa veja o conceito grfico de resistividade na Fig. 10

(BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).

Fig. 10 Representao grfica da resistividade e condutividade (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

2 a ltima camada do tomo ou o ltimo nvel de uma distribuio eletrnica. Normalmente os eltrons pertencentes camada

de valncia so os que participam de alguma ligao qumica, pois so os mais externos.

Na qumica, valncia um nmero que indica a capacidade que um tomo de um elemento tem de se combinar com

outros tomos, capacidade essa que medida pelo nmero de eltrons que um tomo pode doar, receber, ou compartilhar de

forma a constituir uma ligao qumica.

R

A = 1 cm2

1 cm

l = 1 cm

l

N eltrons

2.

cmlR cm

A cm

rea (A)


b) Isolante: oferece um nvel muito baixo de condutividade sob a presso de uma fonte de tenso

aplicada. Apresentam 8 e- livres na ltima camada. Veja um exemplo de aplicao na Fig. 11 (cabos

eltricos).

Fig. 11 - Um cabo eltrico constitudo de condutores e isolantes.

Fonte: http://www.alofonextensao.com.br/Produto/Detalhe/9/Cabos-El%C3%A9tricos

c) Semicondutor: possui 4 e- livres na ltima camada. Exemplos de materiais semicondutores, utilizados

para a fabricao de dispositivos eletrnicos como transistores e circuitos e integrados: Silcio (Z = 14) e

Germnio (Z = 32), onde Z o nmero atmico do elemento (Tabela Peridica).

1.2.2 Estrutura Cristalina

1.2.2.1 Nveis de Energia e Ligaes Covalentes

O e- (eltron), no tomo, ao receber energia, salta para uma rbita mais externa (Fig. 12, nveis

discretos de energia em um tomo). A energia maior para as camadas mais externas. A Tabela 3 mostra

os nveis de energia com o nmero de eltrons para cada um. A energia (W) associada com cada eltron,

medida em eV (eltron-Volts) ver (1).

W = Q.V [eV] (1)

da: W = 1,6 x 10-19

C x 1 V W = 1,6 x 10-19 J (joule)

A Fig. 13 mostra os gaps (intervalos) entre os nveis discretos de energia. Estes nveis de energia

so associados a cada eltron em rbita. A Fig. 14 apresenta as bandas de conduo e de valncia em

materiais isolantes, semicondutores e condutores.

Tabela 3 Distribuio eletrnica por nvel de energia (modelo atmico de Bohr).

Nvel de Energia Nmero de

eltrons

K 2

L 8

M 8 ou 18

N 8, 18 ou 32

O 8 ou 18

P 8 ou 18

Q 8 Fig. 12 A Energia do eltron maior nos nveis mais externos.

Ncleo:

Prtons e

Nutrons

K L M N O P Q

e-


Fig. 13 - Nveis discretos nas estruturas atmicas isoladas (Boylestad e Nashelsky, 2004).

Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

(a) (b) (c)

Fig. 14 (Boylestad e Nashelsky, 2004) - Bandas de conduo e de valncia de um isolante (a), semicondutor (b) e

condutor (c). Exemplos: Eg = 1,1 eV (Si). Eg = 0,67 eV (Ge). Eg = 1,41 eV (GaAs). Copyright 2002 by Pearson

Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Finalmente, veem-se na Fig. 15 a estrutura atmica dos materiais semicondutores Germnio e

Silcio. Ambos possuem 4 eltrons de valncia, o que define as suas propriedades eletrnicas.

Fig. 15 - Estrutura Atmica do Germnio e do Silcio (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002

by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Apesar de as ligaes covalentes serem bastante fortes entre si (veja a Fig. 16), a agitao trmica

ou a incidncia de luz pode provocar a quebra de algumas ligaes, o que deixa, ento, o eltron livre

Energy

Energy gap

Energy gap

etc.

Nucleus

Valance Level (outermost shell)

Second Level (next inner shell)

Third Level (etc.)


para conduo. O termo eltron livre diz respeito ao fato de que seus movimentos podem ser alterados

pela aplicao de um potencial eltrico, calor ou luz.

Fig. 16 Esquema de uma ligao covalente, a qual o resultado de foras atrativas e repulsivas. Fonte: http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAe5TcAH-1.jpg.

A Fig. 17 mostra as ligaes covalentes em um tomo de Si (4 e- na ltima camada). Na Fig. 18

so vistas: uma representao da estrutura cristalina para o tomo de Si e outro formato para ilustrar as

suas ligaes covalentes.

Para qualquer um dos quatro eltrons destes tomos de valncia igual a + 4, o potencial de

ionizao menor do que para qualquer outro na estrutura (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).

Sempre que uma ligao covalente se rompe, surgem de modo simultneo, um eltron e uma lacuna. Se,

entretanto, um eltron preencher o lugar de uma lacuna, completa-se novamente uma ligao covalente e

este processo denominado de RECOMBINAO.

Como tanto os eltrons como as lacunas aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que,

num cristal semicondutor puro, o nmero de eltrons livres sempre igual ao nmero de lacunas.

Fig. 17 - Exemplo de ligao covalente: tomos de Silcio.

(a) (b)

Fig. 18 - Outra representao da estrutura cristalina (a) e das ligaes covalentes (b) no elemento qumico Silcio.


Aplicaes do elemento qumico Silcio

Fonte: http://www.mspc.eng.br/quim1/quim1_014.asp

um dos elementos mais teis. Compostos como areia e argila so amplamente usados na

construo civil. Usado em refratrios para altas temperaturas. Silicatos so empregados na

fabricao de esmaltes. Slica a principal substncia do vidro.

um elemento importante para a vida animal e vegetal. Algas extraem slica da gua, para

formar as paredes das suas clulas. O esqueleto humano contm slica.

um importante ingrediente do ao. Por exemplo, o Carboneto de silcio (SiC) uma das

substncias mais duras e usado em abrasivos.

O Silcio puro com adio de traos de outros elementos como boro, glio, etc tm

propriedades semicondutoras, sendo amplamente aplicado em componentes eletrnicos.

Tambm usado em lasers.

Silicones so polmeros com cadeias de tomos de silcio e oxignio alternados e tm amplas

aplicaes industriais e medicinais em razo das suas propriedades eltricas e qumicas.

1.2.3 Alterao das propriedades eltricas de um material semicondutor

O Silcio e o Germnio podem ser fabricados em um nvel muito grande de pureza. Nveis de

impureza: 1/(10 x 109). Um semicondutor refinado (reduo do nvel de impurezas a um nvel muito

baixo) denominado Material Intrnseco.

A adio de uma parte de impureza do tipo adequado altera as propriedades eltricas destes

materiais. Tal processo denominado DOPAGEM (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004). feita a

insero proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 tomos do cristal.

Como alterar as propriedades eltricas (condutividade) dos semicondutores? Atravs de:

1. mudanas na temperatura (energia trmica);

2. incidncia de luz (energia dos ftons) e

3. atravs da introduo de impurezas processo de dopagem.

Eltrons livres presentes naturalmente no material semicondutor (sem alterao de sua estrutura):

so chamados de portadores intrnsecos. Por ex.: na mesma temperatura, um material de Germnio

intrnseco apresenta em torno de 2,5 x 1013

portadores livres / cm3, 10

3 vezes mais que um de Silcio, o

que justifica que o Germnio seja melhor condutor.

Com o aumento da temperatura de um semicondutor,

ocorre um aumento significativo no nmero de e- livres. Os

eltrons de valncia adquirem energia trmica suficiente para

quebrarem as ligaes covalentes, resultando num aumento na

condutividade (veja a Fig. 19).

Os materiais semicondutores apresentam, portanto,

um coeficiente de temperatura negativo - ocorre a reduo da

resistncia com o aumento da temperatura. Nos metais

(condutores) acontece o oposto (coeficiente de temperatura

positivo).

Fig. 19 Formao de um eltron livre com o aumento da energia

trmica em um tomo de Silcio.


1.2.4 Materiais Extrnsecos - Tipos p e n

Aps a dopagem de um material semicondutor, este denominado de material extrnseco.

Existem dois tipos de materiais extrnsecos:

1) Material tipo n

criado introduzindo-se os elementos de impureza que possuem 5 e- de valncia (pentavalentes).

Ex.: Antimnio, Arsnio e Fsforo veja a Fig. 20, onde foi utilizado como impureza o elemento

Antimnio.

Fig. 20 Duas formas de representao da dopagem do tomo de Silcio com tomos pentavalentes (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights

reserved.

O 5o. e- de valncia do Antimnio desassociado na ligao est relativamente livre para mover-se

dentro do material tipo n, resultando em aumento da condutividade. O Sb neste processo um material

DOADOR (doa 1 eltron). O Silcio com a impureza pentavalente chamado de semicondutor tipo n,

onde n est relacionado com negativo. O e- neste material chamado de portador majoritrio.

2) Material tipo p

construdo introduzindo-se os elementos de impureza com 3 e- de valncia. Ex.: Boro, Glio e

ndio - Fig. 21. A lacuna, ou buraco (ausncia de e-) resultante ir rapidamente aceitar um e

- livre e tem

carga eltrica positiva, identificando o material tipo p (p de positivo). O tomo de Boro, na figura ao lado,

um material receptor. Note-se que a lacuna ir aceitar rapidamente um eltron livre.

Fig. 21 - Duas formas de representao da dopagem trivalentedo tomo de Silcio com tomos trivalentes

(Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey

07458. All rights reserved.

5 eltron de

Valncia do Antimnio

Dopagem pentavalente num cristal de Silcio (com tomo

de Sb)


1.2.5 - Fluxo de Eltrons x fluxo de Lacunas

Como visto no item anterior, o processo de dopagem possibilita a construo de semicondutores

tipo p e tipo n. As lacunas (holes, em ingls) num semicondutor tambm produzem uma corrente. Ento

h dois trajetos para a corrente: uma atravs da banda de conduo (rbitas maiores) e outro da banda de

valncia (rbitas menores) Figuras 22 e 23.

Fluxo de eltrons

X

Fluxo de lacunas

Condutor: estrada

de mo nica.

Semicondutor:

estrada de

mo dupla.

Fig. 22 Fluxo de eltrons x fluxo de lacunas (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

(a) (b)

Fig. 23 O fluxo de lacunas (de A para F) num semicondutor. (a) Corrente de lacunas. (b) Diagrama de Energia da corrente de lacunas.

A corrente da banda de conduo num semicondutor semelhante corrente no fio de cobre;

porm a corrente da banda de valncia bem diferente. Observe a lacuna na extremidade direita da Fig.

23 e o eltron sem movimento atravs da trajetria de A at F. Esta lacuna atrai o eltron de valncia em

A. Com uma pequena variao de energia, este eltron de A se move para a lacuna, o que gera uma nova

lacuna em A, que atrai o eltron de valncia em B e assim por diante, de modo a se formar um fluxo de

lacunas (MALVINO, 1997).

O que ocorre em termos de nveis de energia o seguinte: a energia trmica bombeia um eltron

da banda de valncia para a banda de conduo. Com pequenas variaes de energia, os eltrons de

valncia podem se deslocar ao longo do trajeto indicado pelas setas, equivalendo a um movimento da

lacuna atravs da banda de valncia ao longo do trajeto ABCDEF.

Por analogia, podemos dizer que:

um fio de cobre assemelha-se a uma estrada com mo nica e

um semicondutor se comporta como uma pista de duas mos.


1.2.6 Juno PN: a construo do diodo

A Fig. 24 mostra a distribuio de cargas em um material semicondutor dos tipos p e n. A lacuna

(ou buraco, hole em ingls) o portador majoritrio no material tipo p, enquanto que o eltron o

portador minoritrio. No material tipo n a situao se inverte: o eltron o portador majoritrio e a lacuna

o minoritrio. Como se pode intuir desta figura, os materiais p e n constituem os blocos fundamentais

para a construo do diodo, que formado a partir da juno destes. Esta juno conhecida como juno

pn, onde os materiais p e n devem ser da mesma base (Ge ou Si).

Legenda: + lacuna; - eltron; e : ons.

Fig. 24 (a) Material tipo p. (b) Material tipo n.

1.2.6.1 A juno PN como diodo: polarizao

CASO 1: sem polarizao (VD = 0 V)

Com a juno dos materiais tipo p e n, (veja a Fig. 25) ocorrem dois fenmenos: DIFUSO e

DEPLEO (diminuio ou ausncia de portadores majoritrios prximos regio de juno).

Fig. 25 Diodo: juno p-n sem aplicao de polarizao (VD = 0 V).

DIFUSO: ocorre quando os materiais p e n so unidos. Os eltrons e as lacunas prximas

juno se combinam, resultando na ausncia de portadores livres prximas mesma. Em outras palavras,

o excesso de eltrons do material tipo n tende a migrar para o material tipo p, visando o equilbrio

eletrnico (densidades de eltrons nos dois materiais) e a estabilidade qumica. A ocupao de uma

lacuna por um eltron chamada de RECOMBINAO.

+

Tipo p

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

Tipo n

+ +

+ +

- + ID = 0 mA

VD = 0 V

(sem polarizao externa)

+

Portador

minoritrio

ons receptores

Portadores

Majoritrios

Tipo p

+ +

+ +

+

+ + +

+

+ Tipo n

+ +

Portadores

Majoritrios

+

+

ons doadores

Portador minoritrio

Regio de

Depleo (VF)


Na regio de depleo ocorre ento uma concentrao de ons positivos (falta de e-) e negativos

(excesso de e-), formando uma barreira de potencial, tambm chamada de tenso direta, VF (do ingls

forward), ou de tenso de limiar ou de disparo, VT (do ingls threshold).

Para o diodo de Silcio, tem-se VF = 0,7 V e para o diodo de Germnio, VF = 0,3 V.

O fenmeno da recombinao cessa aps certo tempo e a regio de depleo fica com ausncia de

e- e lacunas, responsveis pela corrente eltrica. Ento, ID = 0 mA.

CASO 2 (VD < 0 V) Juno p-n polarizada reversamente

Nesta configurao, os eltrons do lado n so atrados para o terminal (+) da fonte e as lacunas para

o terminal (-), conforme mostra a Fig. 26. Com isso, formam-se mais ons positivos no lado n e mais ons

negativos no lado p (aumento da camada de depleo e da barreira de potencial).

Este aumento ocorre at que a d.d.p. da barreira de potencial se iguale tenso reversa aplicada.

Ento:

- no ocorre neste caso a circulao de portadores majoritrios (corrente direta ID);

- ocorre apenas uma corrente muito pequena, denominada de corrente de saturao reversa, IS

(limitada aos portadores minoritrios).

Fig. 26 Diodo: juno p-n polarizada reversamente.

CASO 3 (VD > 0 V) Juno p-n polarizada diretamente

Com este tipo de polarizao os eltrons do lado n ganham energia suficiente, pois so repelidos

pelo terminal (-) da fonte VD, rompendo a barreira de potencial, sendo atrados para o lado p,

atravessando a juno pn. Veja a Fig. 27.

No lado p, os e- se recombinam com as lacunas, tornando-se eltrons de valncia, e continuam se

deslocando de lacuna em lacuna, pois so atrados pelo terminal (+) da fonte, formando uma corrente

eltrica de alta intensidade. Esta corrente identificada por ID ou IF (no segundo caso, o subscrito F vem

do ingls forward), corrente direta. Esta corrente dada por (2).

D majoritrio SI = I - I (3)

+

p

+ +

+

+

+ +

+

+ n

+

+ +

+

VD < 0 V - + IS IS

Is Fluxo de portadores minoritrios

Imajoritrio = 0

Regio de

Depleo (VF)


Fig. 27 Diodo: juno p-n polarizada diretamente.

Na Fig. 28 e na Fig. 29 podem ser verificados o aspecto construtivo do diodo e o seu smbolo. Por

este ltimo, se conclui que o diodo um componente unidirecional em corrente e em tenso.

Fig. 28 - Juno PN: a construo do diodo. Aspecto do chip e do invlucro.

Fonte: www.sabereletronica.com.br/files/image/TO144_diodo_F09.jpg

Fig. 29 Smbolo do diodo e aspecto fsico. Terminais: anodo (A) e catodo (K). Fonte: http://upload.w ikimedia.org/wikipedia/commons/8/83/Diode_pinout_en_fr.svg

1.2.7 Curva Caracterstica do diodo. Aproximaes e modelos

Para entender os modelos que podem ser utilizados para o estudo de um diodo semicondutor, deve-

se primeiramente conhecer a sua curva caracterstica. Esta curva formada pelos eixos ID e VD, corrente e

tenso do diodo. O primeiro modelo para o diodo o de uma chave ideal, que em conduo apresenta

uma tenso nula em seus terminais (VF = 0 V), e que no estado desligado equivalente a um circuito

aberto. A Fig. 30 mostra este modelo.

A Fig. 31 mostra que o diodo um dispositivo unidirecional em corrente e em tenso. No 1

quadrante, com a tenso VD positiva, existe corrente, ou seja, ID 0.

P N

Chip

A (anodo) K (catodo)

Invlucro

Aspecto construtivo

A K

A K

Anodo

(+)Catodo

(-)

A A

n

VD > 0 V

+ -

Regio de

Depleo (VF)

ID

p

Imajoritrio D majoritrio SI = I - I

ID

IS


Fig. 30 - (a) diodo diretamente polarizado em conduo. (b) diodo reversamente polarizado, como chave aberta

(Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey


Fig. 31 O diodo: unidirecional em corrente e em tenso.

Isto indica que o dispositivo permite a passagem de corrente com grande facilidade. Teoricamente

a resistncia direta do diodo nesta regio nula (curto-circuito). Assim:

0V0

2, 3 mA ... qualquer valor > 0

FF

F

VR

I

Para a regio do 3 quadrante, o diodo est reversamente polarizado.

- 5 V, - 20 V, ... qualquer valor < 0 circuito aberto (resistncia reversa)

0 mA

RR

R

VR

I

Os parmetros do diodo, VR e IR , indicam, respectivamente, a tenso reversa e a corrente reversa

no mesmo. A curva real ID x VD do diodo mostrada na Fig. 32.

A equao da corrente do diodo (regies direta e reversa) dada por (4):

.

.( 1) D

K

k V

T

D SI I e (4)

Onde:

e = nmero de Euler, igual a 2,718281829...

IS = corrente de saturao reversa;

k = 11.600/ com (letra grega eta) = 1 para o Ge e = 2 para o Si, para nveis baixos de corrente na

curva ID x VD e = 1 para ambos os diodos, na regio da curva onde a corrente cresce de forma mais

acentuada;

ID

VD0

+

+

VD

ID

A K

+

VD

ID 0

A K

+

2 1

3 4


TK = TC + 2730, temperatura na escala absoluta de Kelvin

3, em funo da temperatura em graus Celsius.

Fig. 32 Curva caracterstica real do diodo, ID x VD (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Efeitos de Temperatura sobre o diodo

- A corrente de saturao reversa do diodo (IS) tem o seu valor alterado com o crescimento da

temperatura. Estudos mostram que a cada 100C de aumento na temperatura, a corrente IS dobra o seu

valor.

The reverse saturation current IS will just about double in magnitude for every 10C increase in

temperature (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).

- O diodo de Si apresenta menores nveis de IS, mesmo em altas temperaturas, em comparao com o

diodo de Ge. Esta uma das caractersticas a favor da maior utilizao do Silcio no projeto e

desenvolvimento de dispositivos eletrnicos.

- Um aumento de temperatura implica na diminuio da tenso de disparo (VT). Assim, a curva do

diodo, como se v na Fig. 33, ser deslocada para a esquerda, numa temperatura maior (facilita o

disparo do dispositivo).

3 O fsico ingls Willian Thomson (1824-1907), mais conhecido pelo seu ttulo de nobreza, Lord Kelvin, foi quem estabeleceu pela primeira vez a

existncia terica de uma situao na qual as partculas da matria estariam totalmente desprovidas de energia e, portanto, estariam paradas.

A essa situao terica, que se sabe atualmente ser inalcanvel na prtica, se deu o nome de zero absoluto e associou a ela a temperatura igual a zero. Por

esse motivo, a escala kelvin denominada de escala absoluta. O kelvin a escala fundamental da temperatura termodinmica, e seus instrumentos de

medidas (termmetros) esto, normalmente, graduados com os pontos de fuso do gelo a 273 K e o ponto de ebulio da gua a 373 K, considerando as

condies normais de presso. Fonte: http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/a-temperatura-suas-escalas.htm


Fig. 33 Curva I x V do diodo. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Diodo_graph.svg

Nveis de Resistncia no DIODO

Pela curva I x V do diodo, que no-linear, fcil perceber que medida que o ponto de operao

de um diodo se move de uma regio para outra, a sua resistncia tambm se altera. Neste item sero vistos

os tipos de resistncia do diodo. O tipo de tenso ou sinal aplicado no circuito com diodo define o seu tipo

de resistncia. So trs os nveis considerados: resistncia esttica, dinmica e mdia (BOYLESTAD e

NASHELSKY, 2004).

- Resistncia Esttica ou DC:

O valor da resistncia esttica, RD, muda

com o deslocamento do ponto de operao do

diodo na curva caracterstica ID x VD.

Para a Fig. 34, os valores de RD para os

pontos 1, 2 e 3 so assim calculados:

11

1

10V10 M

1 A

DD

D

VR

I

22

2

0,5 V250

2 mA

DD

D

VR

I

33

3

0,8 V40

20 mA

DD

D

VR

I

Fig. 34 - Curva ID x VD do diodo resistncia esttica (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by

Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey


b) Resistncia AC ou Dinmica:

Nvel de resistncia definido por uma reta tangente no ponto Q (ponto quiescente ou de operao).

Para um sinal senoidal aplicado a um diodo, o ponto quiescente ir oscilar em torno do ponto de operao

em CC, como mostra a Fig. 35. Sem o sinal alternado aplicado, este seria o ponto quiescente do diodo,

por exemplo, 0,8 V.


Fig. 35 Determinao da resistncia dinmica ou AC do diodo.

Para os diodos de Si e de Ge, temperatura ambiente (250 C): dd

d

Vr

I

Se for tomada a reta tangente ao ponto quiescente como ilustrado na figura anterior, teremos que as

variaes na corrente e na tenso do diodo tendero a zero, ou seja: d dV 0 e I 0

Do conceito do clculo diferencial - a derivada de uma funo em um ponto a inclinao da reta

tangente traada no mesmo -, encontra-se a resistncia dinmica ou AC do diodo pela equao (5):

D

26 dd

d

dV mVr

dI I (5)

O resultado encontrado, temperatura ambiente, obtido da equao da corrente (e da curva) do

diodo, dada por (4). Aplicando a derivada da corrente em relao tenso, em (4), obtm-se:

.

.( 1) D

K

k V

T

D SI I e

.

k k

.( 1)k k

=T T

D

K

k V

T

S

DD S D

D D

d I edI

I I IdV dV

Isto se justifica porque, geralmente, tem-se ID >> IS na regio mais vertical da curva caracterstica

do diodo.

Como = 1 para diodos de Ge e Si na inclinao vertical da curva I x V: 11600

11600.k

temperatura ambiente (25 0C):

0 0 0 0 11600273 25 273 298 38,93298

K C

K

kT T

T

k

k38,93

T

DD D

D

dII I

dV

Invertendo esta ltima relao, encontra-se uma relao de resistncia (6):

Id

Vd

Ponto Q

(operao CC)

Reta tangente

Curva I x V do diodo

dd

d

Vr

I


,

1 26 mV

38,93

Dd

D D D Ge Si

dVr

dI I I

(6)

c) Resistncia CA Mdia (rav)

Parmetro definido por uma linha reta entre os limites de operao, para variaes grandes no sinal

CA de entrada, como mostra a Fig. 36.

Fig. 36 Determinao da resistncia AC mdia (entre dois pontos da curva do diodo).

A Tabela 4 mostra as trs aproximaes para construir o modelo do diodo. A terceira aproximao

mais indicada para projetos onde se espera uma maior preciso no circuito, como por exemplo, em

equipamentos hospitalares e instrumentos de medio (multmetros, osciloscpios etc.).

Tabela 4 Aproximaes do Diodo.

Na 3 aproximao utilizado um novo parmetro, a resistncia de corpo do diodo, dada por (7):

av p nr r r (7)

.pta.ptd

dav

I

Vr

VdVD (V)

ID (mA)

rav

Ponto Q

Id

- +

A K

-+

A K

A K

-+

A K

- +

A K

- +

Tipo e condies Modelo Curva caracterstica

A K

A K

-+

Circuitos Equivalentes de Diodo (Aproximaes e Modelos)

1a. Aproximao

Sistema Ideal

Rrede >> ravVrede >> VT

2a. AproximaoModelo simplificado

Rrede >> rav

Diodo

Ideal

3a. AproximaoModelo Linear

Rrede rav

VFrav

+

0

ID

vD

0 VF

ID

0 VF

ID

rav

A K

vD

vD

A K

Ideal

ID

ID

A K

VFrav

+

Diodo Real

A K

-+

- +

Si

ID

-+

Si

- +

A K

Si

Si

VF

VF

+

+

A K


onde:

1) a soma p nr r representa a resistncia hmica do diodo (resistncias das regies p e n);

2) rav a resistncia mdia (do ingls average), algumas vezes identificada por rB (resistncia de corpo, de body). Geralmente este parmetro da ordem de 1 a 10 ohms.

Onde seria imprescindvel a aplicao da 3 aproximao para o estudo e projeto de circuitos com diodos? Citar

dois exemplos.

1.2.8 Especificaes Tcnicas e Teste do Diodo

As especificaes de um diodo, disponveis nos manuais de fabricantes, so tomadas com base nos

seguintes itens, a maioria dos quais depende da temperatura de operao, citadas a seguir:

1) Tenso direta sobre o diodo (para uma corrente e temperatura especficas): VF (onde o

subscrito F vem do ingls forward);

2) Corrente direta mxima (IF), para uma temperatura especfica;

3) Corrente de saturao reversa (IR), para uma tenso e temperatura especficas;

4) Tenso reversa nominal (VBR) ou breakdown voltage (tenso de ruptura), a uma temperatura

especfica;

5) PDmax: mxima dissipao de potncia, para uma dada temperatura;

6) Nveis de capacitncias de difuso e de transio;

7) Tempo de recuperao reverso, trr;

8) Faixa de operao de temperatura.

Em circuitos onde a frequncia da fonte elevada, deve-se especificar a capacitncia da juno.

Neste texto sero estudados alguns desses parmetros.

Tenso Reversa (VBR)

A Tabela 5 mostra exemplos de valores mximos para o parmetro VBR de alguns diodos. Observe

o destaque para os diodos da famlia 1N400X.

Tabela 5 Valores caractersticos de corrente direta e tenso reversa de alguns diodos.

Diode Maximum Current (IF) Maximum Reverse Voltage (VBR)

1N4001 1 A 50 V

1N4002 1 A 100 V

1N4003 1 A 200 V

1N4004 1 A 400 V

1N4005 1 A 600 V

1N4006 1 A 800 V

1N4007 1 A 1000 V

1N5401 3 A 100 V

1N5408 3 A 1000 V

1N3765 35 A 700 V

SD103N/R 110 A 400 2500 V

Maximum Ratings and Electrical Characteristics @TA = 25C unless otherwise specified.

Fontes: (1) http://electronicsclub.info/diodes.htm e (2) http://www.vishay.com/docs/93492/1n1183.pdf

(3) http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/irf/sd103n.pdf


Potncia Mxima Dissipada no Diodo PDmax = VD. ID

A potncia mxima nominal do diodo no constante, um parmetro dependente da temperatura

de operao. Esta potncia diminui a uma taxa de alguns mW por grau de aumento na temperatura, acima

da temperatura ambiente (25 0C) curva de reduo de potncia disponvel em alguns catlogos de

diodos de baixa potncia.

Capacitncias do Diodo

O diodo apresenta dois tipos de capacitncia:

1. Capacitncia da regio de transio ou de depleo (CT), associada polarizao reversa do diodo,

variando obviamente com a tenso reversa aplicada. Tal efeito utilizado em diodos do tipo varactor, por

exemplo) veja o grfico da Fig. 37.

2. Capacitncia de Difuso (CD) ou de

acumulao, na regio de polarizao direta.

A equao (6) define a capacitncia

de um capacitor de placas paralelas, onde o

parmetro (F/m) indica a permissividade

do dieltrico (material isolante) entre as

placas de rea A (m2) e d (m) a distncia

entre elas.

.AC

d

(8)

Dispositivos eletrnicos como o diodo

so sensveis a nveis elevados de

frequncia. Da equao (9), comprova-se o

efeito de baixas frequncias na reatncia,

pois o diodo tender para um circuito-aberto

em seu comportamento.

Fig. 37 Representao da capacitncia tpica de juno. Fonte: http://www.ph.eng.br/Microeletronica/diodo-comum-efeito-capacitivo.html

Para frequncias muito altas, o diodo ser um caminho de baixa reatncia, como mostra a equao

a seguir (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).

1

2 . .CX

f C (9)

Como j sabido pelo leitor, quando o diodo est na situao de polarizao reversa, h uma regio

sem portadores (de depleo). Tal regio funciona como um isolante entre as camadas de carga oposta.

Como a largura (d) desta regio aumenta com a elevao da tenso reversa imposta ao diodo, ocorre a

diminuio da capacitncia de transio, como mostra o grfico C x Vd (Fig. 38).

A variao da capacitncia da juno p-n em funo da tenso reversa no diodo encontra

aplicaes em diversos sistemas eletrnicos. Existe um diodo que opera segundo este fenmeno, o diodo

VARACTOR, ou VARICAP. Os efeitos capacitivos no diodo so representados por um esquema onde

um capacitor conectado em paralelo a um diodo ideal, como ilustra a Fig. 39. Quando em baixas e

mdias frequncias (excetuando-se potncias altas), o capacitor no includo no modelo que representa

o diodo (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).


Fig. 38 Curva de Capacitncias de transio e difuso do diodo x tenso de polarizao (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Fig. 39 Modelo do diodo incluindo o efeito da capacitncia de transio ou de difuso.

Simulao 1 Modelo aproximado do diodo. O circuito da Fig. 40 foi estudado no PSpice, em uma

simulao para verificao dos sinais de entrada e de sada. Comentar sobre o sinal no catodo do diodo.

Fig. 40 Simulao: modelo aproximado do diodo (estudo dos parmetros). Sinal de entrada: rampa, de 0 a 5 Vp,

Frequncia de 100 Hz.

Fig. 41 Formas de onda do circuito da Fig. 40.

CT ou CD

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms 22ms 24ms 26ms 28ms 30ms

V(R2:1)

0V

2.5V

5.0V

SEL>>

(9.977m,4.3404)

V(vi:+)

0V

2.5V

5.0V

vi (t)

vR (t)

(9.98 ms; 4.34 V)

5.0 V

5.0 V

10 ms 20 ms

Time


Comentrios:

Simulao 2 Efeito da frequncia na operao do diodo

Seja o circuito da Fig. 42, onde o diodo est inserido em uma

associao em srie com uma fonte senoidal de frequncia varivel e

um resistor fixo R (1 k). O valor mximo de vi de 10 V.

Numa primeira simulao (software PSpice) foi utilizada f =

60 Hz. Na Fig. 43 so apresentadas as formas de onda do sinal de

entrada e do sinal de sada (no diodo). Efetuada outra simulao, desta

vez utilizando uma frequncia muito alta (50 kHz), verificou-se uma

alterao na tenso sobre o diodo - Fig. 44.

Fig. 42 Simulao - verificao do efeito da frequncia da fonte na operao do diodo.

Fig. 43 Simulao para f = 60 Hz. Fig. 44 Simulao para f = 50 kHz.

Justifique os resultados obtidos em simulao para os dois nveis de frequncia utilizados.

Tempo de recuperao reverso (reverse recovery time)

O tempo de recuperao reverso (trr) um parmetro do diodo de extrema importncia em aplicaes de alta frequncia (AHMED, 2000). Como o leitor j imagina, o diodo real no comuta

instantaneamente do estado de no-conduo para o de conduo (e vice-versa).

Quando polarizado diretamente, um grande nmero de eltrons no material tipo n avana em

direo ao material tipo p e um grande nmero de lacunas em direo ao material tipo n (uma exigncia

bvia para a conduo no diodo). Isto estabelece um elevado nmero de portadores minoritrios em cada

material. Se a tenso positiva aplicada ao diodo for revertida situao de polarizao reversa -,

idealmente o diodo mudaria do estado de conduo para o estado de chave aberta (no-conduo).

Ocorre que, devido ao elevado nmero de portadores minoritrios nos materiais tipo n e tipo p, o

comportamento do diodo ser modificado como mostra a Fig. 45 (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).

Durante o tempo ts (tempo de armazenamento), os portadores minoritrios voltam ao seu estado de

portador majoritrio no material oposto. O intervalo seguinte, tr (tempo de transio) aquele em que a

corrente retorna ao estado de no conduo (nvel zero). O tempo de reestabelecimento reverso, trr a

resultante de ts e tr, ou seja (10):

trr = ts + tr (10)

Time

0s 10ms 20ms 30ms 40ms

V(D1:1)

-10V

0V

10V

SEL>>

V(vi:+)

-10V

0V

10V

Time

0s 10us 20us 30us 40us 50us

V(D1:1)

-10V

0V

10V

SEL>>

V(vi:+)

-10V

0V

10V

vi

vo vo

vi


Fig. 45 Tempo de recuperao reverso em um diodo (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Este parmetro muito importante em aplicaes de alta frequncia, onde devem ser empregados

diodos rpidos, como ocorre em fontes de tenso chaveadas, muito utilizadas hoje em dia em

microcomputadores, notebooks, TVs de alta definio e outros equipamentos.

1.3 Portas Lgicas com Diodos

Projetando-se um circuito simples com diodos e resistores possvel executar funes lgicas

simples, como a funo OU (ou OR) e E (ou AND).

A seguir so descritas as portas lgicas E e OR, com as convenes lgicas para os sinais de

entrada e de sada. Seja o circuito da Fig. 46. Para as entradas A e B, adota-se para o nvel 0 binrio o

sinal de 0 V, e para o nvel 1 binrio o sinal de 5 V.

A sada ser representada no circuito por um diodo LED, o qual indicar o nvel lgico 1 quando

aceso (estado ON, ligado), e o nvel lgico 0 quando apagado (OFF, desligado).

1.3.1 Porta Lgica E (AND)

Esta funo lgica apresenta nvel alto na sada

(nvel 1 binrio) somente quando todas as entradas

estiverem em nvel alto.

Para a Tabela 6, preencher o nvel lgico esperado

na sada para todas as combinaes de A e B na entrada.

Expresso Booleana:

S = A . B

(l-se A e B ou A and B). Fig. 46 Esquema da porta E (ou AND) com diodos.

Tabela 6 Tabela-verdade Porta AND.

1.3.2 Porta Lgica OU (OR) O circuito lgico com diodos que desempenha a

funo OU mostrado na Fig. 47. A sada S apresenta um

nvel lgico alto na sada (1) quando qualquer das entradas

estiver em nvel alto. Preencher a Tabela 7 (nvel lgico

esperado na sada).

Entradas Estado do

LED

Nvel Lgico

da Sada

A B ON ou OFF 0 = OFF e 1 = ON

0 0

0 1

1 0

1 1

Mudana de estado (on off)

ocorrendo em t = t1

Resposta esperada (ideal)

IF = I direta

IR = I reversa

t1

ts tt

trr

t

ID

0


A expresso Booleana do circuito : S = A + B (l-se A ou B ou A or B).

Fig. 47 Esquema da porta OR com diodos.

Tabela 7 Tabela-verdade Porta OU.

Entradas Estado do

LED

Nvel Lgico

da Sada

A B ON ou OFF 0 = OFF e 1 = ON

Exemplo 1 O circuito da Fig. 48 representa uma porta OR cuja lgica positiva, ou seja, o nvel

de tenso 10 V representa 1 e o nvel 0 V (terra) representa o estado 0, de acordo com a lgebra

booleana. Verificar com clculos os valores indicados nos instrumentos: 16,25 mA no ampermetro

(corrente no diodo D1) e 1,66 V no multmetro (tenso de sada, sobre o diodo LED).

Fig. 48 Porta OU de lgica positiva. Atravs das chaves S1 e S2

so impostos aos diodos D1 e D2 os nveis 0V e 10 V.

Simulao 3

Porta lgica OU com com diodos.

Dados: 3 entradas variando entre 0 e 5 V.

a) Efetuar a simulao no PSpice do circuito

lgico da

b) Fig. 49.

Observao:

as chaves tClose e tOpen so as funes Sw-tClose

e Sw-tOpen, disponveis na biblioteca do simulador.

Fig. 49 Porta OR de 3 entradas (simulao no PSpice).

b) A Fig. 50 mostras as formas de onda de entrada e de sada. Justifique o resultado obtido.


Fig. 50 Formas de onda da porta OR de 3 entradas.

EF Exerccios de Fixao ..Srie 1

EF 1 A Fig. 51 representa uma porta lgica. Qual a funo lgica desempenhada? Preencher a

Tabela 8, onde so indicados na sada 0,7 V (nvel baixo) e 10 V (nvel alto).

(a) (b)

Fig. 51 (a) Porta lgica com diodos. (b) Substituio no circuito pelos estados dos diodos no esquema em (a). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved (Boylestad

e Nashelsky, 2004).

Tabela 8 - Tabela-verdade do EF1.

Entradas Tenso de sada (Vo)

A B 0,7 V ou 10 V

0 0

0 1

1 0

1 1

Time

0s 10us 20us 30us 40us 50us 60us 70us 80us 90us 100us

V(RL:2)

2.5V

5.0V

-0.5V

SEL>>

V(U12:2)

0V

2.5V

5.0V

V(D5:1)

0V

2.5V

5.0V

V(U11:2)

0V

2.0V

4.0V

Vo Vo = VD = 0,7 V (0)


EF 2 Determinar o nvel de sada (Vo) para a porta lgica AND de 3 entradas, Fig. 52. Preencher as

clulas em branco da Tabela 9.

Fig. 52 Porta lgica AND com diodos.

Tabela 9 - Tabela-verdade da porta AND de 3 entradas.

E1 (V) E2 (V) E3 (V) Vo

0,7 0,7 0,7 0,7

0,7 0,7 10

0,7 10 0,7

0,7 10 10

10 0,7 0,7

10 0,7 10

10 10 0,7

10 10 10

Funo lgica: _________________________

Corrente em cada diodo LED:

______________________________________

1.4 Circuitos com Diodos

Para cada circuito estudado, deve-se determinar o estado do diodo, isto , se o mesmo est ligado

ou desligado, de acordo com a polarizao (d.d.p.) que recebe. Sero estudadas configuraes em srie,

em paralelo e mistas.

Recordando:

Para o diodo ideal: o diodo uma chave fechada (ON) se VAK > 0 V.

Para o diodo na 2 e na 3 aproximaes, o diodo uma chave fechada (ON) se VAK > VF (tenso

direta, igual a 0,7 V para diodos de Si e de 0,3 V para diodos de Ge).

O diodo um dispositivo unidirecional em corrente e tenso.

1.4.1 Configuraes em SRIE

Exemplo 2 A Fig. 53 mostra o modelo do diodo na 3 aproximao. Se este diodo conectado em srie a uma fonte CC de 12 V e a um resistor de 470 ohms (RL), pede-se: a) calcular a tenso sobre o

resistor RL; b) calcular as perdas no diodo em mW.

Fig. 53 Diodo na 3 aproximao (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002

by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River,

New Jersey 07458. All rights reserved.

Soluo:

a) A corrente no circuito dada por

12 0,723,54 mA.

10 470I

Logo, VRL = 470 x I = 11,06 V.

b) Perdas em mW: 22 0,7 23,54 m + 10 23,54 m 22,02 .D D D av D DP V I r I P mW


Exemplo 3

Para o circuito da Fig. 54, onde o diodo de Silcio, a primeira medida verificar se o diodo

conduz para o valor de V1 (fonte CC) apresentado. Pela curva do diodo, 2 aproximao, o disparo ocorre

quando VAK 0,7 V (diodo de Silcio). A corrente no instante do disparo nula.

Logo, pela LKT aplicada ao circuito, V1 = VD1 + ID1.R1.

No disparo, a tenso da fonte aplicada no diodo.

V1 = VD1 + ID1.R1 12 = VD1 + 0.1 k

O diodo D1 recebe 12 V em seus terminais anodo e catodo.

Ento, se VAK VF o diodo D1 liga.

VD1 = VF = 0,7 V (Fig. 55).

Fig. 54.

A Fig. 55 mostra o circuito equivalente considerando-se o diodo na 2 aproximao.

A Fig. 56 mostra o resultado da simulao deste circuito com o software PSpice

.

Fig. 55 Circuito srie com diodo (2 aproximao).

Simulao 4

Fig. 56 Simulao no PSpice. Medidas de corrente e tenso.

CLCULOS:

Com o diodo ligado, tem-se na carga resistiva VR = V1 VF = 12 0,7 = 11,3 V.

A corrente no diodo ser: ID1 = VR1 / R1 = 11,3 V / 1 k = 11,3 mA.

Estes valores foram calculados com a resistncia do diodo nula e com as resistncias dos medidores

(ampermetro e voltmetro) ideais.

Exemplo 4 Circuito com um diodo e duas fontes CC

O circuito da Fig. 57 apresenta um circuito srie com

1 diodo e duas fontes CC, com resultados de tenses

de ns (simulao).

a) Qual a tenso sobre o diodo D1?

b) Qual o ponto de desengate do diodo, transio

ONOFF?

c) Qual a corrente no circuito?

Resp.: (a) VF = 0,29 V. (b) VAK 3,0 V. (c) I = 1,84 mA.

Simulao 5

Fig. 57.


1.4.1.1 Anlise por Reta de Carga

Seja o circuito da Fig. 58, onde uma fonte de tenso CC de E volts alimenta um diodo e um resistor

em srie. Neste circuito, tem-se, pela LKT:

D DE = V + I .R (11)

Esta equao descreve o comportamento do circuito, e

denominada de equao de reta de carga. No ponto de

SATURAO (max. corrente no diodo), VD = 0. Da a

corrente no diodo ser:

max 0DD V V

I E R

(12) Fig. 58.

No ponto de CORTE (ID = 0, ou seja, o diodo uma chave aberta): VD ser mxima, i.e., VD = E.

0DD corte I V

V E

(13)

Questo 1 Como se pode modificar a inclinao da reta que intercepta a curva do

diodo?

Questo 2: os valores de E (fonte DC) e de R (carga) influem na inclinao da reta

traada pelos pontos extremos de ID e VD? Veja a Fig. 59.

Fig. 59 Reta de carga do diodo (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Exemplo 5 Em um circuito com diodo, foram feitas algumas alteraes, de modo que a sua reta de carga, que antes interceptava o eixo de VD em 10 V, agora intercepta em 2,0 V (Fig. 60).

a) Qual a mxima corrente no diodo? Resp.: 20 mA.

b) Encontre o ponto quiescente pela anlise da nova reta de carga.

Fazendo as projees do ponto Q2 nos eixos de ID e VD, encontra-se os valores de 12 mA e 0,75 V.

c) Qual o valor ajustado na fonte CC? E = 2,0 V.

d) Qual o valor do resistor R? R = 2,0 V / 20 mA = 100 ohms.

+E RID

+ VD -


e) Encontre a potncia dissipada no diodo. PD = VDQ IDQ = 0,75 20 m = 15 mW.

Fig. 60 Reta de carga do diodo (Exemplo 5).

Exemplo 6 Seja a reta de carga de um diodo de Silcio, dada pela Fig. 61.

a) Encontre o ponto de operao do diodo no circuito a seguir.

Soluo:

Pela interseo da reta de carga com a

curva do diodo, em valores

aproximados:

VDQ = 0,78 V e IDQ = 9,25 mA

b) Encontre o valor do resistor.

D DE = V + I .R max0D

D

V V

EI

R

Fig. 61 Reta de carga, diodo de Si.

Da corrente mxima no diodo: 0

10 10 1 .DV V

mA R R k

Exemplo 7 Tendo como base o exemplo anterior, para R = 2 k, pede-se calcular:

a) O novo ponto quiescente.

Pela leitura do grfico da Fig. 62, o novo ponto quiescente ser: VDQ 0,7 V e IDQ 4,6 mA.

Fig. 62 Reta de carga, diodo de Si, para R = 2 k (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.


b) A tenso no resistor, VR.

D D DE = V + I .R 10 = 0,7 + I .R 9,3 V.RV

Da leitura da corrente quiescente, D I .R 4,6 mA 2 k 9,2 V.R R RV V V


EF 3 - A Fig. 63 apresenta o diagrama

descritivo de um circuito onde um

conjunto de pilhas de 1,5 V conectadas

em srie alimenta uma lmpada de 6 V.

Em srie com a lmpada est conectado

um diodo.

a) Desenhar o diagrama esquemtico do

circuito, inserindo uma chave de comando do

tipo liga-desliga.

b) Qual a resistncia da lmpada se a

corrente mxima no diodo de 50 mA?

Utilize o conceito de reta de carga do diodo,

visto nesta seo.

Fig. 63 Circuito do EF1. Fonte:

http://www.sabereletronica.com.br/files/image/TO144_diodo_F13.jpg

a) Desenho:

b) Clculos:

EF 4 Calcular Vo e a corrente nos diodos para o circuito da Fig. 64. Resp.: Vo = 9,59 V; ID = 1,25 mA.

Simulao 6

(a) (b)

Fig. 64 (a) Esquema de um circuito srie com dois diodos e duas fontes CC. (b) Resultado de simulao.

Vo


1.4.2 Configuraes em Paralelo e Mistas (srie-palarela)

Para o estudo destas configuraes, basta determinar o estado do diodo no circuito e aplicar as LKT

e LKC (leis de Kirchhoff das Tenses e Correntes).

A Fig. 65 mostra uma simulao, onde dois diodos esto em paralelo. Pelos valores indicados das

correntes, qual dos diodos est ligado (ON), D1 ou D2? Resp.: __________________.

Qual a queda de tenso no resistor R2? Resp.: ________________.

Simulao 7

(a) (b)

Fig. 65 (a) Circuito. (b) Resultados de simulao no PSpice.

EF Exerccio de Fixao ..Srie 3

EF 5 Anlise de falhas. O circuito da Fig. 66

apresenta uma simulao no PSpice de um

circuito misto, onde so empregados dois diodos

de Silcio, da famlia 1N400X.

a) Os resultados para tenso indicados na Fig. 66 esto

corretos? Verifique com clculos.

Simulao 8

Fig. 66 Circuito misto com diodos alimentao em CC.

b) Se, ao montar este circuito, foram medidos os valores de tenso e corrente indicados na Fig. 67, qual

(ou quais) componente(s) apresenta(m) falha? uma falha de curto-circuito ou de circuito-aberto?


Fig. 67 - Circuito misto com diodos, com falha (medidas diferentes do circuito terico da Fig. 66).

Exemplo 8 Encontrar a tenso vo no circuito:

Fig. 68 Configurao em paralelo (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Soluo:

Com a tenso aplicada, tende-se a imaginar que os dois diodos conduzem. Ocorre que os diodos

esto em paralelo e as tenses tm de ser as mesmas, o que no possvel, j que o diodo de Germnio

dispra antes, colocando 0,3 V nos terminais do diodo de Silcio. Esta tenso inviabiliza o seu disparo.

Logo, somente o diodo de Ge conduz e a tenso de sada dada por:

Vo = 12 V 0,3 V = 11,7 V.


EF 6 Determine os parmetros V0 e ID para o circuito da

Fig. 69 (VF = 0,7 V). Resp.: V0 = 6,2 V e ID = 1,55 mA.

EF 7 Para o circuito do EF2, pede-se determinar: a) qual ser a potncia dissipada em cada diodo?

b) se os diodos de Si fossem substitudos por outros de Si

com especificao de potncia mxima de 3 mW, qual

seria o mximo valor de E1 ajustado, de modo que os

diodos operassem em condies nominais? Resp.: E1max =

26,38 V.

Fig. 69.

A A

K K


EF 8 Determine as correntes I1, I2 e ID2 para o circuito misto apresentado na Fig. 70. Considere os diodos de

silcio (VF = VT = 0,7 V).

Respostas:

I1 = 0,212 mA;

I2 = 3,32 mA;

ID2 = 3,108 mA.

Fig. 70 Exemplo de circuito misto.

EF 9 Para o circuito srie da Fig. 71a e utilizando as caractersticas do diodo da Fig. 71b, encontrar:

a) O ponto quiescente (VDQ e IDQ). b) A tenso no resistor. Obs.: construir a reta de carga deste circuito.

Fig. 71 (a) Circuito. (b) Caractersticas (Boylestad e Nashelsky, 2004). Copyright 2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

1.5 Dispositivos Especiais

1.5.1 Diodos LED e Display de 7 Segmentos

O diodo emissor de luz (Light Emitting Diode, LED), um dispositivo optoeletrnico. A Fig. 72

mostra o aspecto fsico e o smbolo do diodo LED.

(a) (b)

Fig. 72 Diodo LED. (a) Aspecto fsico. (b) Smbolo do dispositivo.

O LED tambm formado por uma juno pn, que, quando diretamente polarizada, faz com que os

eltrons atravessem a barreira de potencial, se recombinando com as lacunas. Ocorre que muitos eltrons

no possuem energia suficiente para passarem da banda de valncia banda de conduo, ficando na zona

interdita ou proibida (gap). Como no podem permanecer nessa zona estes eltrons voltam banda de

valncia, perdendo energia e o fazem emitindo luz (ftons), como mostra a Fig. 73.

O polo negativo apresenta um terminal

maior dentro do encapsulamento

K

A VF

ILED

A K


Este diodo no feito de Silcio e sim de elementos como Glio, Arsnio e Fsforo. O diodo LED

emite uma luz monocromtica. A cor da luz emitida pelo diodo LED depende do material semicondutor

utilizado na sua construo.

Fig. 73 Grfico: nveis de energia e operao do diodo LED.

A Tabela 10 mostra alguns exemplos de diodos nas cores vermelho, verde, amarelo e infra-

vermelho. Comercialmente os LEDs esto disponveis em encapsulamentos comerciais de 3 mm, 5 mm e

10 mm.

Tabela 10 Valores caractersticos de alguns tipos de diodo LED.

LED / Cor Material Semicondutor Nveis mximos de VF e VR Vermelho Fosfoarsenieto de Glio VF = 1,6 V e VR = 3 V

Verde e Amarelo Fosforeto de Glio VF = 2,4 V e VR = 3 V

Infra-vermelho Arsenieto de Glio VF = 1,35 V e VR = 4 V Obs.: para estes dados, considera-se a corrente direta (IF) na faixa entre 10 e 50 mA. VF: tenso direta. VR: tenso reversa.

1.5.1.1 - Resistncia a ser conectada em srie com o LED

A regra para o projeto de acionamento de um diodo LED muito simples. A intensidade da luz

emitida por um diodo LED proporcional corrente.

Um exemplo de circuito para esta finalidade visto na Fig. 74a. Para que a corrente no LED seja

constante (e tambm o seu brilho) necessrio projetar uma fonte de corrente. Isto se consegue atravs de

uma fonte de tenso mais alta em relao tenso no LED, bem como uma resistncia que limite a

corrente no circuito de acordo com a corrente nominal no dispositivo (MALVINO, 1997).

(a) (b) (c)

Fig. 74 Acionamento de um diodo LED. (a) Circuito com resistor limitador de corrente. (b) e (c) Exemplo de acionamento de um diodo LED e de mltiplos LEDs por uma bateria de 9 V. Fonte: http://www.pcboard.ca/kits/led_notes/

Assim, a corrente no LED encontrada por

S LED

S

V VI

R

(14)

Quanto maior for a tenso da fonte, menor ser o efeito da tenso no LED. Uma variao

RS

+ VLEDVS

ILED


indesejvel poderia ocorrer se fosse adotado VS de + 5 V, com um diodo LED do tipo TIL222, com VF

variando entre 1,8 e 3 V. Com um resistor de 120 ohms, a corrente no LED iria variar entre 16,7 e 26,7

mA, o que daria uma grande variao no brilho.

Na Tabela 11 so apresentados alguns valores nominais de diodos LED. A unidade de intensidade

luminosa o cd (candela). Em fotometria, intensidade luminosa indica a medida da percepo da potncia

emitida por uma fonte luminosa em uma dada direo.

Conhecendo-se a corrente mxima do diodo LED utilizado, encontra-se o seu resistor limitador,

atravs de (15):

S LED

S

V VR

I

(15)

Exemplo 9

No site http://www.pcboard.ca/kits/led_notes/ encontra-se um aplicativo pelo qual possvel

calcular o resistor limitador para um e para trs diodos LED, como indica a Fig. 75.

Observe os valores escolhidos: diodos conectados em srie (3), 9 V para a tenso da fonte e 1,5 V

para VLED. Acesse o site e teste outros valores.

Tabela 11 Valores caractersticos de alguns tipos de diodos LED. Fonte: http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/126/37/

Tipo Cor IF

max.

VF

typ.

VF

max.

VR

max.

Intensidade

Luminosa

Angulo

visualizao

Comprimento

de onda

Standard Vermelho 30 mA 1.7V 2.1 V 5 V 5 mcd @ 10 mA 60 660nm

Standard brilhante

vermelho 30 mA 2.0V 2.5 V 5 V 80 mcd @ 10 mA 60 625nm

Standard Amarelo 30 mA 2.1V 2.5 V 5 V 32 mcd @ 10 mA 60 590nm

Standard Verde 25 mA 2.2V 2.5 V 5 V 32 mcd @ 10 mA 60 565nm

Alta intensidade Azul 30 mA 4.5V 5.5 V 5 V 60 mcd @ 20 mA 50 430nm

Super brilho Vermelho 30 mA 1.85V 2.5 V 5 V 500 mcd @ 20 mA 60 660nm

Baixa corrente Vermelho 30 mA 1.7V 2.0 V 5 V 5 mcd @ 2 mA 60 625nm

Verifique matematicamente o valor retornado pelo aplicativo.

Fig. 75 Clculo do resistor limitador para trs LEDS conectados em srie.


Exemplo 10

Para um diodo LED Azul, de

alta intensidade, encontre o resistor RS

conectado em srie com o mesmo.

O diodo ser alimentado por

uma fonte de + 12 V.

Soluo: pela Equao (15)

12 4,5250

30 SR

mA

Valor comercial mais prximo: 270

ohms (veja o quadro ao lado, valores

comerciais de resistores).

Fonte:

http://euarduino.wordpress.com/tag/eletronica/

1.5.1.2 CORES do diodo LED

A cor uma percepo visual provocada

pela ao de um feixe de ftons sobre clulas

especializadas da retina, que transmitem atravs

de informao pr-processada no nervo ptico,

impresses para o sistema nervoso4.

A cor de um material determinada pelas

mdias de frequncia dos pacotes de onda que

as suas molculas constituintes refletem. Um

objeto ter determinada cor se no absorver

justamente os raios correspondentes

frequncia daquela cor. Assim, um objeto ou

uma superfcie vermelho se absorve

preferencialmente as frequncias fora do

vermelho (veja a

Fig. 76).

Fig. 76 Esquema de uma superfcie vermelha: reflexo de ondas. Fonte: www.arq.ufsc.br/labcon/arq5656/Curso_Iluminacao/07_cores/ imagens/cor_nos_materiais.jpg

A cor relacionada com os diferentes comprimento de onda do espectro eletromagntico. So

percebidas pelas pessoas, em faixa especfica (zona do visvel), e por alguns animais atravs dos rgos

de viso, como uma sensao que nos permite diferenciar os objetos do espao com maior preciso.

Considerando as cores como luz, a cor branca resulta da sobreposio de todas as cores primrias

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apostila ea 1 diodos 2014 oficial

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