fonte de tensão regulada a diodo zener
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Relatório de dispositivos eletrônicosTRANSCRIPT
INSTITUTO DE ENGENHARIAS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIAS
Laboratório de Dispositivos Eletrônicos – 2014.2
CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO
Alunos: Antonio Duarte Marcos Junior
José Micael Ferreira da Costa
Kaio Martins Ramos
Katerine da Silva Moreira
Sandro Constatino da Graça
Prof. Dr. : Raphael Amaral
Turma: A
Acarape, Outubro de 2014
ANTONIO DUARTE MARCOS JR
JOSE MICAEL F DA COSTA
KAIO MARTINS RAMOS
KATERINE DA SILVA MOREIRA
SANDRO CONSTATINO DA GRAÇA
CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO
Relatório referente à aula prática da disciplina
de Dispositivos eletrônicos, do curso de
Engenharia de Energias da Universidade da
Integração Internacional da Lusofonia Afro-
Brasileira.
Orientador: Prof. Dr. Raphael Amaral
Acarape, Outubro de 2014
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 3
2 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 4
3 MATERIAIS .......................................................................................................................... 4
4 ANÁLISES COMPUTACIONAL ....................................................................................... 5
4.1 Determinação e especificação os componentes comerciais utilizados ...................... 5
4.2 Simulações do circuito do MULTISIM ...................................................................... 7
5 DISCUSSÃO E RESULTADOS .......................................................................................... 8
6 CONCLUSÕES ................................................................................................................... 13
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 13
3
1 INTRODUÇÃO
O efeito zener ocorre em tensões relativamente pequenas, de alguns volts, em
junções de semicondutores fortemente dopados (REZENDE, 2004).
O diodo zener é um dispositivo especialmente projetado para operar reversamente
polarizado em uma região de ruptura controlada por efeito zener. Para que o efeito zener ocorra,
devemos ter uma junção P-N abrupta com concentrações de dopantes elevadas em cada lado da
junção. Como resultado, a barreira de potencial torna-se bastante abrupta de modo que a
aplicação de uma pequena tensão reversa (alguns volts) é suficiente para provocar o
tunelamento dos elétrons diretamente da faixa de valência para a faixa de condução. Assim,
numa tensão de zener característica, observa-se um aumento substancial da corrente reversa. A
figura 1 mostra a curva característica IDxVD de um diodo zener típico.
Pode-se controlar a localização da região zener variando-se os níveis de dopagem.
Um aumento na dopagem, que produz um aumento no número de impurezas adicionais,
diminuirá o potencial zener (BOYLESTAD ; NASHELSKY, 2004).
Figura 1 - Curva característica IDxVD do diodo zener.
O diodo zener ideal possui uma resistência interna RZ nula e tensão de operação
característica VZ = VZmín = VZmax enquanto que o diodo real apresenta uma resistência interna
RZ da ordem de décimos de ohms até no máximo alguns ohms. A tensão de ruptura, também
chamada de tensão zener (VZ), é característica do diodo. Esta tensão apresenta valores desde
alguns volts, até dezenas de volts para os diodos zener comerciais.
4
A característica do diodo zener de manter uma tensão constante entre seus terminais
pode ser utilizada na obtenção de uma fonte de tensão regulada. A Figura 2 abaixo mostra uma
fonte regulada utilizando diodo zener e resistor.
Figura 2 – Fonte regulada com diodo zener e resistor.
O diodo zener na região de operação reversa pode ser modelado como uma bateria
de valor VZ0 em série com uma resistência de valor RZ (o valor VZ0 pode ser obtido a partir dos
valores nominais VZnom, IZnom e RZ fornecidos no manual do fabricante do diodo zener.
2 OBJETIVOS
Projeto e análise do funcionamento de uma fonte de tensão reguladora a
diodo zener mediante a simulação e experimentação.
3 MATERIAIS
Diodo;
Voltímetro;
Resistência de 2,2 Ω
Amperímetro;
Transformador com ponto central (+12V/+12V);
Osciloscópio.
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4 ANÁLISES COMPUTACIONAL
Antes de começar-se a parte experimental, deve-se obter por meio de analise
computacional. Com base nesse proposito, fez-se as seguintes analises:
Determinar e especificar os componentes comerciais utilizados;
Conforme a tabela 1 determinou-se teoricamente o valor das grandezas
exigidas e preencheu-se a mesma.
Simulou-se do circuito do MULTISIM, analisou os resultados esperados e
preencheu-se a tabela 2 da seção de procedimentos.
4.1 Determinação e especificação os componentes comerciais utilizados
Uma resistência em série com o diodo Zener (Rs) deve ser projetada de modo a
manter a tensão regulada nos terminais da carga, mesmo que a impedância de saída seja
variável, e uma ondulação de tensão nos terminais do capacitor seja permitida.
O valor mínimo Rs é determinado a partir da equação:
𝑹𝒔𝒎𝒊𝒏 =𝑉𝑖𝑚á𝑥−𝑉𝑧
𝐼𝑧𝑚á𝑥−𝐼𝑜min (1)
Onde Vi máx é a tensão máxima no secundário do transformador portanto:
𝑽𝒊𝒎á𝒙 = √212𝑉 = 𝟏𝟔, 𝟗𝟕𝑽
Porém o valor de Vimáx sobre o Rs será igual a este valor calculado menos a queda
de tensão no diodo, que é de 0,7V. Vz é a tensão de trabalho do zener, obtida através de seu data
sheet, igual a 5,1V, onde também é a tensão de saída da nossa fonte de alimentação. Izmáx é igual
a 0,6*Iz, onde Iz é a corrente de trabalho do zener, também obtida em seu data sheet, sendo
igual a 178mA, logo Izmáx é igual a 106,8mA. Iomin é a menor corrente sobre a carga. Pode-se
considerar inicialmente que Ro seja zero então nossa carga será somente Rl, que também terá a
mesma tensão que Ro. Com tais considerações, pode-se então calcular Irlmin ao invés de Iomin,
que não teremos problemas na análise do circuito:
𝑰𝒍𝒎𝒊𝒏 =𝑉𝑟𝑙
𝑅𝑙=
5,1𝑉
10000= 𝟎, 𝟓𝟏𝒎𝑨
6
Com esses dados podemos então calcular o valor de Rsmin.
𝑹𝒔𝒎𝒊𝒏 =(16,97𝑉 − 0,7𝑉) − 5,1𝑉
106,8𝑚𝐴 − 0,51𝑚𝐴= 𝟏𝟎𝟓
Como este é o menor valor possível para Rs que garante a segurança do circuito,
pode-se então tomar como sendo nosso valor efetivo de Rs. Em seguida pode-se calcular o
menor valor de Ro capaz de manter a tensão na saída de 5,1V, calculando-se através da equação:
𝑹𝒐𝒎𝒊𝒏 =𝑉𝑧
(𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛−𝑉𝑧
𝑅𝑠min)−𝐼𝑧min
(2)
Vimin é a menor tensão disponível no secundário do transformador. Essa menor
tensão pode ser considerada como sendo a tensão eficaz, ou seja, 12V, novamente desconsidera-
se a queda de tensão no diodo. Assim, tem-se que Romin é igual a:
𝑹𝒐𝒎𝒊𝒏 =5,1𝑉
(12𝑉 − 5,1𝑉
105) − 0,1 ∗ 178𝑚𝐴
= 𝟏𝟐𝟖
Este é o menor valor de Ro capaz de manter uma tensão de 5,1V na saída da fonte,
portanto quando ocorrer a redução de resistência do potenciômetro para um valor menor que
este, nota-se uma variação da tensão na saída da fonte.
Em seguida calcula-se s o valor do capacitor que é dado pela equação:
𝑪 =𝑰
𝒇𝑽𝒓 (3)
Onde:
𝑰 =𝑷
𝑽𝒎𝒂𝒙 (4)
E Vr é a ondulação no filtro capacitivo dada por:
𝑽𝑪 = 0,15 ∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 0,15 ∗ 16,97𝑉 = 𝟐, 𝟓𝟒𝟓𝟓𝑽
Então teremos para o valor do capacito:
7
𝑪 =500𝑚𝑊
(16,97𝑉 − 0,7𝑉) ∗ 60𝐻𝑧 ∗ 2,545𝑉= 2,01 ∗ 10−4𝐹 = 𝟐𝟎𝟏𝑭
A queda de tensão no diodo, 0,7V pode ser desconsiderada por representar uma
diferença muito pequena no resultado final. Adota-se então o capacitor de 200F.
Tabela 1 – Especificações e Analise
Especificação dos componentes
Componente Símbolo Valor do componente adotado
Capacitor C 201F
Resistor Rs 105
Análise do circuito de meia onda com filtro e diodo zener sem carga
Circuito retificador Grandeza Método de análise utilizado.
Teórico Simulado Experimental
Meia onda com filtro Izmed[mA] 62,3 80,431
Vomed [V] 5,1 5,1
VC[V] 2,454 5,453
Vdpiv[V] 5,1 5,1
Izmed = (Izmax+Izmin)/2 =(0,6*178+0,1*178)/2 = 62,3V
Acrescentou-se uma carga R0, inicialmente com o valor máximo de resistência, e
preencheu-se a tabela abaixo com os valores de tensão e corrente, conforme está indicado na
mesma.
Io (mA) Vo(V) – Teórico Vo (V) –
Simulado
0 5,1 5,112
10,0 5,109
30,0 5,099
50,0 5,083
70,0 4,929
90,0 3,881
100,0 2,51
118,0 26,092
140,0
160,0
Valores maiores que 118mA não foram obtidos na simulação
4.2 Simulações do circuito do MULTISIM
8
Figura 3 – Circuito simulado no MultisimTM.
5 DISCUSSÃO E RESULTADOS
Determinou-se a regulação de tensão na carga para os resultados simulados na
Tabela 2 e esboçou-se a curva de regulação de tensão na carga em função do aumento da carga,
mostrado na figura 4.
Figura 4 - Curva de regulação de tensão na carga em função do aumento da carga (simulado).
9
A partir dos resultados da Tabela 2 traçou-se as curvas Vo=f(Io) (simulada) e
obteve-se o seguinte gráfico:
Figura 4 – Gráfico da curva da tensão Vo em função da corrente Io (simulada)
Analisando o gráfico acima, pode-se observar que este possui uma curva em
declínio, decorrente de uma resposta da tensão em função da corrente aplicada. Conforme a
corrente foi aumentando gradativamente, a tensão se manteve constante até o ponto de
aproximadamente 60mA. A partir daí, começou-se um processo de decaimento do valor da
tensão de forma exponencial, onde seu ápice foi entre os valores de 100mA à 118mA, que
obteve uma queda de 2,51V para 26,092V, respectivamente, chegando assim à tensão mínima
possível até que se ocorra um curto-circuito. Isso ocorre devido ao fato de que, conforme a
corrente aumenta na saída do circuito, os elétrons contidos nesta passam a se deslocar de
maneira mais rápida, fazendo com que a diferença de potencial entre as extremidades desta
sessão diminua consideravelmente a ponto de não suportar essa corrente aplicada.
Um diodo zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício
ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). Sua diferença física em relação
ao diodo semicondutor está na intensidade e tipo de dopagem realizada.
Assim como o diodo semicondutor, o diodo zener também pode ser polarizado de
duas maneiras, polarização direta e polarização reversa. O diodo zener atua como regulador de
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80 100 120
Ten
são
(V
)
Corrente mA
10
tensão, ao atingir a região de avalanche, a tensão sobre os terminais do zener permanece
praticamente constante, fazendo o mesmo entrar em condução.
O diodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em
relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (UZ) sendo por isso
muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.
O gráfico de funcionamento do zener mostra-nos que, diretamente polarizado (1º
quadrante), ele conduz por volta de 0,7V, como um díodo comum. Porém, na ruptura (3º
quadrante), o diodo zener apresenta um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de
corrente praticamente vertical. A tensão é praticamente constante, aproximadamente igual a Vz
em quase toda a região de ruptura. As folhas de dados (data sheet) geralmente especificam o
valor de Vz para uma determinada corrente IZT;
Analisando o circuito da Figura 3, supondo-se que o capacitor C foi retirado do
circuito em um dado instante após o circuito ter atingido regime permanente, pôde-se observar
o comportamento do circuito para esta situação imposta fazendo uso de simulação. Abaixo na
figura 6 é apresentado as formas de onda de tensão na carga:
Figura 5 – Gráfico da forma de onda da tensão na carga quando C é retirado do circuito
11
Conforme pôde-se analisar com o gráfico gerado computacionalmente, a linha
retilínea representa o uso do capacitor, que para o diodo zener, este se comporta como um filtro
capacitivo, onde a tensão de saída deste sempre é maior ou igual a tensão de funcionamento do
zener. A partir do momento em que é retirado o capacitor, observa-se que a onda gerada está
apenas no eixo positivo, isto devido ao uso de um diodo retificador que limita o uso da corrente
em apenas um sentido. Observa-se também que a onda está transpassada na metade do pulso,
excluindo assim a parte superior que iria até a amplitude máxima da onda retificada. Este
processo acontece devido a limitação do diodo zener para a tensão de saída, pois este trabalha
com um valor específico de tensão. Logo, o que é demostrado no gráfico é que onde a onda
retificada está limitada corresponde exatamente a este valor máximo do diodo zener.
O circuito integrado TL431 é, em suma, um diodo zener ajustável de precisão Shunt
Zener. Sua tensão de saída pode ser configurada para qualquer valor entre 2,5 e 36 V com o uso
de dois resistores externos (atuando como um divisor de tensão.
O TL431 é uma ótima alternativa para um diodo zener em muitas aplicações, ele é
também rotulado muitas vezes rotulado como LM431 e também pode ser descrito como uma
referência de tensão programável. O TL431 é um regulador shunt ajustável com vasto uso na
área eletrônica pelo seu compacto de encapsulamento e seu ajuste preciso da tensão. É mais
comumente encontrado na embalagem TO. Sua simbologia pode ser visualizada na figura 8:
(a) (b) (c)
Figura 6 - Regulador shunt: imagem ilustrativa (a); vista inferior (b); simbologia para circuitos.
Seu uso depende de três resistores, sua implementação é simples e de custo muito
barato. Com os TL431, para outros valores que não sejam de 2,5 ou 5volts, temos de fazer um
pequeno arranjo de resistores.
12
De acordo com a figura 6, V(C), significa a forma de onda da tensão na saída do
filtro capacitor, ou seja a sua variação ΔVC de 16.25 até 13.75 V e a tensão média 15 V.
Figura 7 - Forma de onda da
tensão na saída do filtro capacitor.
A segunda figura V (Rs) significa a forma de onda na saída do Resistor limitador,
ou seja, a tensão antes de ser regulada sofre uma queda em cima do resistor que consome a
máxima potência do circuito. A terceira figura é a tensão de saída em cima da carga R0, logo
após a tensão ser regulada pelo diodo Zener, e a partir de um certo limite em 450 ms , ela
começa a cair e oscilar. Já na última figura I (R0) temos a corrente que percorre a carga, e que
cresce em função da diminuição da mesma até um certo limite de tempo em 450 ms, a partir
daí cresce até aproximadamente 160 mA e começa a oscilar.
Figura 8 - Forma de onda na saída
do Resistor limitador.
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6 CONCLUSÕES
Analisou-se o comportamento dos componentes de um circuito retificador com
filtro capacitivo regulado a diodo zener, que tem por finalidade fornecer a carga uma tensão
desejada, de acordo com a tensão de trabalho do diodo zener especificada pelo fabricante. É
possível notar a importância do dimensionamento da resistência Rs para limitar a corrente
através do diodo zener, que necessita de uma corrente mínima para conduzir, e caso a corrente
sobre o diodo seja maior que a máxima corrente especificada pelo fabricante, este irá queimar.
Deste modo existe uma faixa de variação de Rs.
Após os cálculos das grandezas específicas, observou-se que o diodo zener limitou
a tensão a 5,1 V na carga até certo limite de resistência R0. Abaixo deste limite, a tensão sofre
um decaimento, pois a corrente que percorre o diodo zener é menor que a corrente mínima de
zener (I < Izmin).
REFERÊNCIAS
[1] Boylestad, R. L.; Nashelsky, L. Dispositivos Eletrônicos: e teoria de circuitos,
Pearson Prentice Hall, 8ª Edição, São Paulo - SP, 2004.
[2] Fonte regulada com diodo zener. Disponivel em :
<http://www.lsi.usp.br/~roseli/www/psi2307_2004-Teoria-2-FTe.pdf>. Acesso 21
outubro 2014.
[3] S. M. Rezende, Materiais e dispositivos eletrônicos, Livraria da Física, 2ª Edição,
São Paulo – SP, 2004.
[4] Malvino, A. P. Eletrônica. Vol 1. 4ª Ed. São Paulo. Makron; c1997.