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.

5

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.

13

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.