Capítulo 5

Diodos Especiais

Como já vimos, os diodos retificadores são otimizados para a retificação. Entretanto, existem

outros tipos de diodos usados em diversas aplicações. Entre eles podemos citar o Zener, o LED,

o Schottky e o Varactor. Destes, apenas o Zener iremos ver em detalhes e os outros apenas

citaremos.

5.1 Diodo Zener

Os diodos retificadores nunca devem operar na região de ruptura, pois isto poderá danificá-los.

Um diodo Zener é diferente, ele é um diodo de silício que o fabricante aperfeiçoou para

trabalhar na região de ruptura. O diodo Zener quando polarizado inversamente (ânodo a um

potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus

terminais (VZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.

Nos circuitos reguladores de tensão a parte mais importante é o diodo Zener, pois são eles que

mantêm a tensão na carga praticamente constante apesar das grandes variações na tensão da

linda e da resistência de carga. Os diodos Zener podem ser fabricados com tensões de ruptura

entre 2 e 200 V, dependendo da dopagem dos diodos de silício.

Seu símbolo e o modelo real são mostrados abaixo:

5.1.1 Gráfico IxV

O gráfico de funcionamento do Zener mostra-nos que, diretamente polarizado (1º quadrante),

ele conduz por volta de 0,7 V, como um diodo 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;

A utilização do díodo Zener é limitada pelos seguintes parâmetros:

Vz – Tensão de Zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de

teste IZT)

Izmáx – Corrente de Zener máxima

Izmin – Corrente de Zener mínima

Pz – Potência de dissipação (PZ = VZ x IZ)

Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo Zener pode trabalhar dentro da zona de

ruptura sem ser destruído.

Algumas especificações do fabricante inclui-se também a corrente máxima que um diodo pode

suportar, em função da máxima potência que o mesmo pode suportar.

IZMax = PZM / VZ

IZMax = máxima corrente de Zener especificada

PZM = potência especificada

VZ = tensão de Zener

5.1.2 Impedância Zener ZZT

Quando um diodo Zener opera na região de ruptura, um aumento na corrente produz um

ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o diodo Zener tem uma pequena resistência, que

também é denominada impedância Zener (ZZT), também referenciada à corrente de teste IZT

para medir VZ. Assim por exemplo, para um diodo fictício 1NZX45, com as especificações VZT =

12 V; IZT = 20 mA e ZZT = 5 Ω, indica que o diodo Zener tem uma tensão de 12 V e uma

resistência de 5 Ω para uma corrente de 20 mA.

5.1.3 Regulação tensão

A finalidade de um regulador de tensão é manter uma saída o mais constante possível, mesmo

que a corrente varie. Para que isto ocorra devemos fazer a polarização reversa do Zener (veja

figura abaixo).

Para que ocorra o efeito regulador de tensão é necessário que o diodo Zener funcione dentro

da região de ruptura, respeitando as especificações de corrente máxima. Para isso devemos ter

uma tensão na fonte maior que a tensão Zener (VS >VZ). Para evitar que o Zener se queime,

como qualquer outro dispositivo, devemos sempre colocar um resistor limitador de corrente

(RS) antes do diodo Zener.

A tensão pelo resistor em série é igual a diferença entre a tensão da fonte e a tensão Zener, V S

– VZ. Portanto, a corrente que circula por RS que é a corrente que circula pelo diodo Zener é

dada pela fórmula:

Se eliminarmos a carga no circuito acima, temos o Zener em série com o resistor e com isso

teremos IZ = Is.

Para entender como funciona a regulação de tensão considere o circuito abaixo:

A corrente que circula por RS que é a própria corrente que circula pelo diodo Zener é dada pela fórmula:

Para entender como funciona a regulação de tensão, suponha que a tensão VE varie para 9V e

12V respectivamente.

Devemos então obter o ponto de saturação (interseção vertical), fazendo com que VZ = 0.

a) obtenção de q1 (VZ = 0), temos: I = 9/500 = 18mA

b) obtenção de q2 (VZ = 0), temos: I = 12/500 = 24mA

Para obter o ponto de ruptura (interseção horizontal), fazemos IZ = 0.

a) obtenção de q1 (IZ = 0), temos: VZ = 9V

b) obtenção de q2 (IZ = 0), temos: VZ = 12V

O gráfico então fica com o aspecto a seguir:

Analisando o gráfico acima, observa-se que embora a tensão VE varie para 9 V e 12 V respectivamente, haverá mais corrente no diodo Zener implicando nas interseções q1 e q2.

Portanto embora a tensão VE tenha variado de 9 a 12 V, a tensão Zener ainda é aproximadamente igual a 6 V.

Basta para isso comparar a diferença entre q1 e q2, onde se observa que a tensão de saída permaneceu praticamente constante mesmo que a tensão de entrada tenha variado. Essa é a ideia de regulação de tensão.

Algumas referências comuns de alguns Zener´s .

ZENER ZENER TENSÃO

VOLTS

POTÊNCIA

WATTS

1N746A BZX79C3V3 3,3 0,5

1N747A BZX79C3V6 3,6 0,5

1N748A BZX79C3V9 3,9 0,5

1N750A BZX79C4V7 4,7 0,5

1N751A BZX79C5V1 5,1 0,5

1N752A BZX79C5V6 5,6 0,5

5.1.4 DIODO ZENER IDEAL (1ª aproximação) E DIODO ZENER REAL ( 2ª aproximação)

Na primeira aproximação, podemos considerar a região de ruptura como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tensão de saída será sempre constante, embora ocorra uma grande variação de corrente, o que equivale ignorar a resistência Zener. Isto implica que em um circuito o diodo Zener pode ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna nula.

Na segunda aproximação isto não ocorre, pois deve ser levada em consideração a resistência Zener. Isto quer dizer que na região de ruptura a linha é ligeiramente inclinada, isto é, ao variar a corrente, haverá uma variação, embora muito pequena, da tensão de saída.

Na segunda aproximação deve ser levada em consideração a resistência Zener (R Z) em série com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistência produzirá uma queda de tensão maior. Retornando ao gráfico anteriormente analisado, teremos então:

a) tensão em q1 será: V1 = I1 . RZ + VZ

b) tensão em q2 será: V2 = I2 . RZ + VZ

A variação da tensão de saída será dada por:

V2 - V1 = (I2 - I1).RZ ou VZ = IZRZ

Deduz-se então que quanto menor for a resistência Zener, menor será a variação da tensão de

saída.

5.1.5 Regulador com carga

Antes de qualquer coisa devemos verificar se o diodo Zener esta em funcionamento na região

de ruptura. Devido ao resistor de carga, a tensão de Thevenin que alimenta o diodo Zener é

menor que a tensão da fonte. Como calcular esta tensão de Thevenin? Simples, no circuito

abaixo imagine o diodo Zener retirado do circuito, o divisor de tensão permanece, formado por

RS e RL.

Com isso podemos calcular a tensão nos pontos do Zener, ou seja,

Para o funcionamento na região de ruptura o diodo Zener, VTH deve ser maior que VZ. Esta é a

primeira relação que você deve observar no circuito regulador.

Colocando a carga no circuito, podemos facilmente notar que agora temos a corrente de série

diferente da corrente que passa pelo diodo Zener (IS ≠ IZ). Devido a isso devemos agora calcular

a corrente na carga e a corrente no diodo.

Como a resistência Zener tem essencialmente um efeito muito pequeno, podemos numa boa

aproximação igualar a tensão de carga a

Isto nos permite usar a Lei de Ohm para calcular a corrente que passa pela carga

Como temos duas malhas, podemos usar a lei dos nós e descobrir a valor da corrente que

passa pelo diodo Zener

Esta é a corrente que passa pelo diodo Zener e ela deve ser sempre menor que o valor máximo

permitido pelo diodo Zener (IZmáx).

5.1.6 Ondulação no resistor de carga (VR).

Em um retificador com filtro capacitivo podemos colocar um diodo Zener para melhorar o sinal

de saída. Este circuito nos dá um sinal muito próximo do ideal, mesmo quando temos algumas

variações no sinal de entrada. Idealmente temos que após passar pelo Zener temos nossa

tensão de ondulação igual a zero. Infelizmente não conseguimos esse resultado e por isso

devemos calcular qual vai ser a tensão de ondulação na saída do circuito.

Tomemos uma fonte de alimentação produzindo uma tensão média com certa ondulação

(VRin). Como já falado, idealmente a ondulação na saída deve ser igual a zero (VRout=0), mas isso

não acontece. Desta maneira podemos calcular a tensão de ondulação de saída do Zener da

seguinte maneira:

Esta equação fornece um valor aproximadamente preciso da tensão de ondulação de pico a

pico.

5.2 LED

O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível por isso

LED (Diodo Emissor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de

uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do

elétron. O processo de emissão de luz pela, aplicação de uma fonte elétricas de energia, é

chamado eletroluminescência.

A luz emitida não é monocromática, mas a banda colorida é relativamente estreita. A cor,

portanto, dependente do cristal e da impureza de dopagem com que o componente é

fabricado. O led que utiliza o arseneto de gálio emite radiações infravermelhas. Dopando-se

com fósforo, a emissão pode ser vermelha ou amarela, de acordo com a concentração.

Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ou

amarela. Hoje em dia, com o uso de outros materiais, consegue-se fabricar led´s que emitem

luz azul, violeta e até ultravioleta. Existem também os led´s brancos, mas esses são geralmente

led´s emissores de cor azul, revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas

lâmpadas fluorescentes, que absorve a luz azul e emite a luz branca. Com o barateamento do

preço, seu alto rendimento e sua grande durabilidade, esses led´s tornam-se ótimos

substitutos para as lâmpadas comuns, e devem substituí-las a médio ou longo prazo. Existem

também os led´s brancos chamados RGB (mais caros), e que são formados por três "chips", um

vermelho (R de red), um verde (G de green) e um azul (B de blue). Uma variação dos led´s RGB

são led´s com um microcontrolador integrado, o que permite que se obtenha um verdadeiro

show de luzes utilizando apenas um led.

Em geral, os led´s operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3 V, sendo compatíveis com os

circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da

onda emitida. Assim, os led´s infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5 V, os

vermelhos com 1,7 V, os amarelos com 1,7 V ou 2.0 V, os verdes entre 2.0 V e 3.0 V, enquanto

os led´s azuis, violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3 V. A potência necessária

está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil entorno de 100.000 horas.

Como o led é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização direta é

semelhante à de um diodo semicondutor. Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota

um "código" de identificação para a determinação externa dos terminais A (anodo) e K

(catodo) dos led´s.

Nos led´s redondos, duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K como sendo

aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro ("corpo"), ou

por ser o terminal mais curto dos dois. Existem fabricantes que adotam simultaneamente as

duas formas de identificação.

Nos led´s retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um pequeno

"alargamento" do terminal junto à base do componente, ou então deixam esse terminal mais

curto.

Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays alfa-

numéricos.

Geralmente, os led´s são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas

pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é

comum o uso de suportes plásticos com rosca.

Como o diodo, o LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais, uma vez que

a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. Assim, o uso de um resistor

limitador em série com o Led é comum nos circuitos que o utilizam. Para calcular o valor do

resistor usa-se a seguinte fórmula:

onde VS é a tensão disponível, VLED é a tensão correta para o LED em questão e ILED é a corrente

que ele pode suportar com segurança.

Tipicamente, os Led´s grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando redondos)

trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA e os pequenos (com aproximadamente

3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor.

Os Led´s não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo, podendo-se danificá-los com

apenas 5 V de tensão nesse sentido. Por isso, quando alimentado por tensão C.A., o LED

costuma ser acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo (polaridade invertida em

relação ao LED), com a finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - o LED - fica no

corte, limitando essa tensão reversa em torno de 0,7 V (tensão direta máxima do diodo), um

valor suficientemente baixo para que sua junção não se danifique. Pode-se adotar também

uma ligação em série entre o diodo de proteção e o LED.