1.1- Introduo

As caractersticas e os valores limites dos diodos semicondutores dependem da dopagem, da Geometria da juno e dos materiais de que so constitudos.Os diodos semicondutores comuns trabalham dentro dos limites da corrente direta mxima e da mxima tenso inversa aplicada ( regio de avalanche ).Existe uma outra classe de diodos que trabalha exclusivamente na regio de avalanche ou regio de Zener. Esta a classe dos diodos Zener, utilizados como diodos de referncia, estabilizadores, reguladores, etc.Outro grupo de diodos que iremos estudar o do fotodiodo, um diodo de juno construdo de forma especial, de modo a possibilitar a utilizao da luz como fator determinante no controle da corrente eltrica.O fotodiodo um dispositivo de juno pn semicondutor cuja regio de operao limitada pela regio de polarizao reversa e caracteriza-se por ser sensvel luz.Neste trabalho, vamos iniciar descrevendo o conceito fundamental do diodo Zener e do fotodiodo, depois faremos o desenvolvimento de forma paulatina e especifica buscando fornecer uma viso mais ampla dos assuntos.

1.2-Conceito do Diodo Zener

Os diodos Zener so diodos de silcio especialmente construdos para trabalharem em regio de breakdown (Regio de breakdown: Regio de ruptura Uma regio da caracterstica volt-ampere alm do incio da ruptura para a qual ocorre um aumento da intensidade da corrente inversa).Pela variao da quantidade de impurezas, o fabricante controla o nivel de dopagem dos cristais e consegue produzir diodos cujas tenses de breakdown variam desde 2V at 200V.Quando polarizado diretamente, atua como se fosse um diodo comum; porm, quando polarizado inversamente, aparece uma corrente de saturao inversa que permanece praticamente constante e desprezvel ( regio I da figura 1.1), at atingirmos as proximidades da tenso de avalanche ou de Zener ( regio II da figura 1.1). Ao aumentarmos inversamente a tenso do diodo Zener, a corrente nesta regio aumentar rapidamente produzindo o efeito de avalanche ( regio III da figura 1.1 ). Nesta regio a tenso permanece aproximadamente constante, recebendo o nome de tenso de Zener, e grandes variaes de corrente no produzem variaes de tenso notveis, desde que estejam compreendidos entre os valores de Mxima e Mnima corrente, respectivamentedados pelo fabricante.

Figura 1.1 1.3-Constituio

Um dodo zener constitudo por uma juno PN de material semicondutor (silcio ou germnio) e por dois terminais, o nodo (A) e o Ctodo (K). vide Figura.1.2

Fig. 1.2

1.4-Simbologia e encapsulamento

A Norma NBR 12526/92 define seu smbolo grfico (figura 1.3) conforme ilustrao abaixo:

Fig. 1.3

Tambm pode apresentar outras simbologias ( vide fig. 1.4):

Fig 1.4

Os diodos Zener de pequena potncia podem ser encontrados em encapsulamento de vidro ou de plstico enquanto os de maior potencia so geralmente metlicos para facilitar a dissipao de calor. Veja os dois tipos de encapsulamento nas ilustraes abaixo ( vide fig. 1.5):

Fig. 1.5

1.5-Identificao visual dos terminais

O terminal que se encontra mais prximo do anel o ctodo (K).vide fig. 1.6:

Fig. 1.6

1.6-Principio de funcionamento

Vimos que o dodo rectificador se comportava quase como isolador quando a polarizao era inversa. O mesmo se passa com o dodo zener at um determinado valor da tenso (VZ), a partir do qual ele comea a conduzir fortemente. Qual ser ento o fato que justifica esta transformao de isolador em condutor? A explicao -nos dada pela teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche.

a) Efeito de zener ao aplicar no dodo uma tenso inversa de determinado valor (VZ) rompida a estrutura atmica do dodo e vencida a zona neutra, originando assim a corrente elctrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tenses inversas VR 7 Volt, a conduo do dodo explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da tenso inversa, aumenta tambm a velocidade das cargas elctricas (electres). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar electres dos tomos semicondutores, atravs do choque. Estes novos electres libertados e acelerados libertam outros, originando uma reaco em cadeia, qual se d o nome de efeito de avalanche.Para tenses inversas VR, entre 5V e 7V, a conduo do dodo explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).

1.6.1-Comportamento do diodo Zener ( Polarizao)

O comportamento do diodo Zener depende fundamentalmente da forma como ele polarizado.

a) Polarizao direta:

Nesta o diodo Zener se comporta da mesma forma que um diodo semicondutor ou retificador, entretanto em conduo e assumindo uma queda de tenso tpica( vide fig. 1.7).

fig. 1.7

Observao:Normalmente o diodo Zener no usado com polarizao direta nos circuitos eletrnicos.

b) Polarizao Inversa:

At em determinado valor de tenso inversa, o diodo zener se comporta como um diodo comum, ficando em bloqueio. Nesse bloqueio, uma pequena corrente de fuga circula no diodo Zener, tal como no diodo convencional. Em um determinado valor de tenso inversa, o diodo Zener entra subitamente em conduo, apesar de estar polarizado inversamente ( vide fig. 1.8).

Fig. 1.8

A corrente inversa aumenta rapidamente e a tenso sobre o Zener se mantem praticamente constante ( vide fig. 1.9).

Fig. 1.9O valor de tenso inversa que faz o diodo zener entrar em conduo denominado de tenso zener (Vz).Enquanto houver corrente inversa circulando no diodo zener, a tenso sobre seus terminais se mantm praticamente no valor da tenso zener. importante observar que no sentido inverso, o diodo zener difere do diodo semicondutor retificador convencional, ou seja, um diodo retificador nunca chega a conduzir intensamente no sentido inverso. Se isso acontecer, o diodo estar em curto e danificado.O diodo zener, por sua vez, levado propositadamente a conduzir no sentido inverso para que uma tenso zener constante seja obtida em seus terminais, sem que isso danifique o componente.

1.7- Caractersticas do diodo zener

Variando-se o nvel de dopagem dos dodos de silcio, o fabricante pode produzir dodos zener com diferentes tenses de zener.A utilizao do dodo zener limitada pelos seguintes parmetros:

Vz Tenso de zener (este valor geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT) Pz Potncia de dissipao ou Potncia Zener (PZ = VZ x IZ)Desde que a potncia no seja ultrapassada, o dodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destrudo.Izmx Corrente de zener mximaIzmin Corrente de zener mnimaCoeficiente de temperaturaTolerncia

a) Vz-Tenso Zener

A tenso zener ou tenso de ruptura depende do processo de fabricao e da resistividade da juno semicondutora. Durante a ruptura, o diodo zener fica com o valor de tenso zener sobre seus terminais. Esses valores so fornecidos pelos fabricantes nos catlogos tcnicos.

b) Pz-Potncia Zener

A potncia zener a potncia dissipada pelo diodo em condies funcionamento.Na curva de ruptura, esse diodo apresenta a tenso zener em seus terminais e percorrido por uma corrente inversa. A potncia zener dada pelo produto da tenso pela corrente, ou seja. Pz = Vz.IzOs diodos zener so fabricados para determinados valores de potncia de dissipao que determinam a dissipao mxima que o componente pode suportar. Esses valores so fornecidos pelo fabricante.Utilizando os valores de Tenso Zener e Potncia Zener Mxima, pode-se determinar a corrente mxima que o Zener pode suportar, ou seja:

Observao:O valor de corrente Zener mxima no pode ser excedido sob pena de danificar o diodo Poe excesso de aquecimento.A regio de funcionamento do Zener determinada por dois valores de corrente porque sua tenso inversa constante. Esses valores so: Izmx e Izmin.(vide fig. 1.10)

Fig. 1.10

c) Izmx- Corrente Zener Mxima

d) Izmin- Corrente Zener Mnima

e) Coeficiente de temperatura

O desempenho dos componentes fabricados com materiais semicondutores sofre influncia da temperatura ( dependncia trmica. Por isso, a tenso Zener se modifica com a variao de temperatura do componente.A influncia dessa variao expressa sob a forma de relao entre tenso e temperatura e define em quantos milivolts a tenso se modifica para cada grau centigrado de alterao da temperatura do componente, ou seja, Mv/C.Devido a diferena no principio de funcionamento interno, os diodos Zener so divididos em dois grupos:At 5V: A tenso sobre o Zener Diminui com o aumento da temperatura (-Mv/C)Acima de 5V: A tenso sobre o Zener aumentacom o aumento da temperatura (+Mv/C).As curvas caractersticas a seguir exemplificam a dependncia trmica dos dois grupos de diodos Zener ( vide fig. 1.11).

Fig. 1.11

Observao:Os valores de tenso Zener fornecidos pelos fabricantes so vlidos temperatura de 25C

f) Tolerncia

A tolerncia do diodo Zener refere-se a variao que pode existir entre o valor especificado e o valor real da tenso inversa do diodo Zener. Isso significa que um diodo Zener de 10V +_ 5% pode ter uma tenso inversa real, Por exemplo, de 9,5 10,5V. Pra especificar a tolerncia, os fabricantes utilizam diversos cdigos. Por exemplo:Tolerncia de 5%, a designao do diodo vem acompanhada pela letra A.,Tolerncia de 10%, a designao do diodo vem sem letra no final. 1.8- Diodo Zener ideal x Diodo Zener real.

A caracterstica fundamental do diodo Zener manter uma tenso constante sobre seus terminais quando colocado em conduo no sentido inverso.

a) Diodo Zener ideal aquele que, em conduo inversa, mantm a tenso absolutamente constante independentemente da corrente circulante( vide fig. 1.12).

Fig. 1.12

Na primeira aproximao, podemos considerar a regio de ruptura como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tenso de sada (VZ) ser sempre constante, embora haja uma grande variao de corrente, o que equivale a ignorar a resistncia zener.Isto significa que num circuito o dodo zener pode ser substitudo por uma fonte de tenso com resistncia interna nula( vide fig. 1.13).

Fig. 1.13

b) Diodo Zener Real

Na segunda aproximao deve ser levada em considerao a resistncia zener (RZ) em srie com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistncia produzir uma queda de tenso maior.Isto quer dizer que na regio de ruptura a linha ligeiramente inclinada, isto , ao variar a corrente haver uma variao, embora muito pequena, da tenso de sada (VZ). Essa variao da tenso de sada ser tanto menor quanto menor for a resistncia de zener (vide fig. 1.14).

fig. 1.14

1.9- O dodo zener como regulador de tenso

A maior aplicao do diodo zener reside na regulao da tenso de sada de fontes de alimentao. Atravs da utilizao do zener em conjunto com um resistor, pode-se conseguir que uma fonte de CC fornea tenso constante para a carga.Neste tpico vamos apresentar o circuito regulador de tenso com diodo zener e explicar seu funcionamento ( vide figura 1.15).As caractersticas de comportamento do diodo zener na regio de ruptura permitem que o componente seja utilizado em circuitos que possibilitam a obteno de uma tenso regulada a partir de fontes que forneam tenses variveis ou mesmo com cargas de consumo varivel.

Fig. 1.15

Para que o diodo zener seja utilizado como regulador de tenso, necessrio que a tenso da fonte (V) seja maior que a tenso zener de ruptura (VZ). Para isso, deve-se usar sempre um resistor RS em srie com o diodo zener a fim de limitar sua corrente a um nvel abaixo de sua corrente especificada. Esse resistor denominado resistor shunt.Veja a configurao caracterstica de um circuito regulador de tenso com diodo zener na figura a seguir.

Fig. 1.16

Observao:

A tenso sobre a carga a mesma do diodo zener porque a carga e o diodo esto em paralelo ( vide figura 1.16).

1.9.1-Funcionamento do circuito regulador

Para que seja possvel efetuar a regulao, o circuito regulador com diodo zener deve receber na entrada uma tenso no mnimo 40 % maior que o valor desejado na sada. Assim, se a tenso desejada de sada 6V, o circuito regulador deve utilizar um diodo zener com VZ = 6V e tenso de entrada de pelo menos 8,5 V.A aplicao dessa tenso de entrada superior tenso de ruptura do diodo zener coloca o componente na regio de ruptura. Assim, a tenso sobre o zener assume o valor caracterstico (VZ).vide figura 1.17.

Fig. 1.17

Nessa condio, a corrente circula atravs da carga e do diodo. As correntes do zener e da carga somadas circulam atravs do resistor limitador (RS). Essas correntes provocam uma queda de tenso sobre o resistor, cujo valor exatamente a diferena entre a tenso da entrada e a tenso do zener, ou seja, VRS = VENT - VZ. Vide figura 1.18:

Fig. 1.18

1.9.2-Condies de regulao

A partir da condio normal de funcionamento do circuito, so possveis trs situaes distintas: regulao de tenso quando a tenso de entrada est sujeita a variaes; regulao de tenso quando o consumo de corrente de carga pode ser varivel; regulao de tenso quando a tenso de entrada e a corrente de carga variam.

a) Regulao de tenso com tenso de entrada varivel A regulao de tenso com tenso de entrada varivel muito comum em circuitos eletrnicos alimentados pela rede eltrica CA. Nesse caso, a tenso fornecida pelas fontes retificadoras varia proporcionalmente em relao tenso de entrada. Vide figura 1.19:

Fig. 1.19

Quando ocorre um aumento na tenso de entrada, esse aumento tende a se transferir para a carga. Nesse caso, o zener em paralelo com a carga mantm constante a tenso na carga. A resistncia dinmica do zener diminui e permite a circulao de um valor de corrente zener maior (VZ = RZ . IZ ). A soma das correntes do zener e da carga (IZ + IRL) circula no resistor limitador. Com o aumento na corrente do zener, aumenta tambm a corrente no resistor limitador (IL + IZ = IRS).vide figura 1.20:

Fig. 1.20Com o acrscimo da corrente no resistor limitador, a ddp aumenta e isso compensa o aumento na tenso de entrada.Quando h uma reduo na tenso de entrada, o zener se comporta de forma inversa: a diminuio da tenso da entrada aumenta a resistncia do diodo e isso faz a corrente do zener diminuir.Com a diminuio de IZ, a corrente que circula no resistor limitador (IZ + IRL) se reduz. Isso provoca a reduo na queda de tenso no resistor limitador, compensando a reduo na tenso de entrada.vide figura 1.21:

Fig. 1.21

Nos circuitos apresentados, verifica-se que a tenso sobre a carga permanece praticamente constante (entre 5,9 V e 6,1 V) mesmo que a tenso de entrada varie significativamente (de 7,5 V para 9,5 V).

b) Regulao de tenso com corrente de carga varivel

As variaes de tenso de alimentao em funo da corrente de carga ocorrem principalmente devido s caractersticas dos filtros utilizados nas fontes retificadoras. A variao na tenso de ondulao na sada das fontes, provoca alteraes na tenso fornecida em funo da corrente consumida pela carga. Num circuito na condio normal, considerando-se que a tenso de entrada seja constante, pode-se afirmar que a tenso sobre o resistor limitador constante.vide figura 1.22:

Fig. 1.22Isso implica em que a corrente que circula atravs do resistor limitador tenha um valor constante independente das variaes da carga, ou seja: VENT Constante VRS Constante IRS Constante Quando a corrente de carga aumenta, a corrente no zener diminui porque a soma de IZ + IRL sempre constante. Quando a corrente de carga diminui, a corrente no zener aumenta. Isso faz a corrente no limitador permanecer constante. Os diagramas a seguir ilustram o comportamento do circuito com aumento e reduo de IRL. Vide figura 1.23:

Fig 1.23c) Regulao de tenso com corrente de carga e tenso de entrada variveisNessa condio, as variaes de tenso de entrada aparecem sobre o resistor limitador e as variaes de corrente de carga se traduzem em variaes na corrente do zener.vide figura 1.24:

Fig. 1.241.9.3- Fonte de alimentao com tenso de sada reguladaUma fonte de alimentao com tenso de sada regulada por diodo zener compe-se basicamente de trs blocos.vide figura 1.25:

Fig. 1.25

No estgio da retificao (geralmente de onda completa), a CA transformada em CC pulsante. O estgio de filtragem aproxima a forma de onda da tenso de sada da CC. O estgio de regulao recebe a tenso filtrada que contm uma ondulao e que varia em funo da carga e da CA de entrada e entrega na sada uma tenso constante.vide figura 1.26:

Fig. 1.26

a) Exemplo de dimensionamento dos valores mnimo e mximo de RLNo circuito a seguir, sero calculados o maior e o menor valor que a carga pode ter para que as caractersticas de regulao sejam mantidas, quando se conhece os valores de RS e do zener (VZ).vide figura 1.27:

Fig. 1.27

O resistor de 56 poder ser de W que o valor comercial maior que o escolhido. Para que ele trabalhe a frio, esse valor dever ser de 1 W.

Observao :

Para a proteo do zener, o valor de RLMX escolhido de um resistor encontrado no comrcio dever ser inferior ao calculado, ou seja, 270 .

Observao: Para a proteo do zener, o valor comercial de RLMN escolhido dever ser inferior ao calculado, ou seja, 180 . Com os valores dados para o resistor limitador e para o zener, o circuito poder ter uma carga entre 180 e 270 .

b) Exemplo de dimensionamento de RS No circuito a seguir, ser calculado o valor de RS para um circuito estabilizador alimentado com 8 V + 10 % que utiliza um zener de 5,6 V - 1 W. vide figura 1.28: Fig. 1.28

a) Clculo de IZMX e IZMN: Com o valor de RS, calcula-se a mxima corrente de sada e a mxima variao possvel de entrada para uma carga de 390 .

2-O Fotodiodo ConceitoO fotodiodo um diodo de juno construdo de forma especial, de modo a possibilitar a utilizao da luzcomo fator determinante no controle da corrente eltrica.seu smbolo mostrado por a figura 2.0 um dispositivo de juno pn semicondutor cuja regio de operao limitada pela regio de polarizao reversa e caracteriza-se por ser sensvel luz. Fig. 2.0

2.1-FuncionamentoA aplicao de luz juno resultar em uma transferncia de energia das ondas luminosas incidentes (na forma de ftons) para a estrutura atmica, resultando em um aumento do nmero de portadores minoritrios e um aumento do nvel da corrente reversa.Em resumo, podemos dizer ento que um fotodiodo um dispositivo que converte a luz recebida em uma determinada quantidade de corrente eltrica.A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um aumento na intensidade luminosa resultar em um aumento semelhante na corrente reversa. Podemos admitir que a corrente reversa seja essencialmente nula na ausncia de luz incidente. Como os tempos de subida e de queda (parmetros de mudana de estado) so da ordem de nanossegundos, o dispositivo pode ser usado na aplicao de contagem ou comutao de alta velocidade. O germnio mais adequado para luz incidente na regio infravermelha, j que abrange um espectro mais amplo de comprimentos de onda do que o silcio, apesar de sua corrente negra(Corrente negra a corrente que existir sem nenhuma iluminao aplicada.)ser maior. O nvel de corrente gerada pela luz incidente sobre um fotodiodo no suficiente para que ele possa ser usado em um controle direto, sendo necessrio para isto que haja um estgio de amplificao.

2.2-Caractersticas:Existem duas maneiras de operar um fotodiodo. Ele pode funcionar como uma clula fotovoltaica (a incidncia de luz gera tenso) ou como uma clula fotocondutiva (a incidncia de luz gera corrente).vide figura 2.1Curva caracterstica:

Fig. 2.12.3-Aplicaes:O fotodiodo ser aplicado no foco automtico de filmadora, na unidade tica do CD Player e em sistema contador de pulso. Outra aplicao muito usada na rede de iluminao pblica o sensor crepuscular. Nos sistemas de iluminao publica importante saber em que altura que est suficientemente escuro, para ativar as luzes. Este controle no pode ser efetuado de forma eficaz utilizando temporizadores, uma vez que em dias de chuva ou nevoeiro intenso pode ser necessrio ativar o sistema de iluminao por razes de segurana. Alm disso, o horrio do prprio nascer e pr do Sol no constante, muda todos os dias. Pelas razes apontadas, a soluo que rene maior consenso aquela que utiliza sensores de luz ambientes tambm conhecidos como crepusculares.

ConclusoA Cincia vm continuamente alavancando o progresso para a criatura humana, seja na medicina ou na indstria blica, a Eletrnica sem sombra de duvidas o brao forte da modernidade.O estudo sobre semicondutores mostra cada veis mais que sem os mecanismos de dopagem P ou N no seria possvel a construo do mundo como conhecemos. Desde as fontes com tenso e correntes eltricas estabilizadas, os sistemas retificadores que transformam a tenso alternada em continua ( diodos comuns e zener) e at mesmo os sistemas de produo com seus maquinrios avanados, sendo estes controlados por inmeros sensores e dentre estes o fotodiodo.Em resumo, neste trabalho mostramos o funcionamento do diodo zener e seus pricipais clculos para dimensionamento e espomos de forma simplificada a atuao do fotodiodo.

Bibliografia