Diodo

APOSTILA DE ELETRÔNICA BÁSICA

CAPÍTULO 3 DISPOSITIVOS OPTOELETRÔNICOS E DIODO ZENER

Versão 20070801

Apostila de Eletrônica Básica – Capítulo 3

Ricardo Ramiro

ÍNDICE 3.1. DISPOSITIVOS OPTOELETRÔNICOS...................................................... 3 3.1.1. DIODO LED............................................................................................... 3 3.1.2. FOTODIODO............................................................................................. 4 3.2. DIODO ZENER................................................................................................ 5 3.2.1. CURVA CARACTERÍSTICA ................................................................. 5 3.2.2. POLARIZAÇÃO ....................................................................................... 6 3.2.3. POTÊNCIA E CORRENTE MÁXIMA .................................................. 7 3.2.4. REGULADOR DE TENSÃO ................................................................... 7 BIBLIOGRAFIA..................................................................................................... 9 APÊNDICE A – FOLHA DE DADOS ................................................................ 10

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3.1. DISPOSITIVOS OPTOELETRÔNICOS Optoeletrônica, como o nome sugere, combina óptica e eletrônica. São componentes baseados em junção PN e que podem emitir luz ou reagir à exposição de luz. Dentre estes componentes existem LEDs, Fotodiodos, Acopladores Ópticos, etc.

3.1.1. DIODO LED O LED (Light Emitting Diode, ou diodo emissor de luz) é um diodo com junção PN que quando polarizado diretamente emite luz, visível ou não. A luz emitida é monocromática, sendo que a cor depende do material utilizado na dopagem. Exemplo: GaAsP (Fosfeto de Arseneto de Gálio) = vermelha ou amarela GaP (Fosfeto de Gálio) com nitrogênio = vermelha ou verde GaAs (Arseneto de Gálio) = infravermelha Os LEDs podem ser apresentados em tamanhos e formatos diversos, como o redondo e o retangular. A figura abaixo mostra a simbologia e a figura de um LED vermelho típico.

Figura 3-1 – a) simbologia do LED; b) imagem de um LED vermelho redondo.

O terminal Anodo do LED normalmente é mais comprido (figura 3-1a), além de ter uma marca quer pode ser um chanfro ou alargamento. Semelhante ao diodo retificador, para emitir luz o LED deve ser polarizado por meio de um resistor limitador de corrente. Dependendo do tipo do LED, a queda de tensão pode variar entre 1,5V e 3,5V com corrente entre 10mA e 50mA. Como regra prática, se as características do LED forem desconhecidas, pode-se considerar a tensão de 2,0V e corrente de 20mA. Exemplo 3-1: Que valor do resistor R deve ser utilizado para polarizar corretamente o LED do circuito abaixo?

R

12V

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Sabendo que

V = R× I

Assim,

R=

ou

R=

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V I

VCC − VLED I LED

Onde VCC — VLED (tensão da bateria menos a queda de tensão sobre o LED) é a queda de tensão sobre o resistor. Considerando a corrente ILED = 20mA, fica:

R=

VCC − VLED 12 − 2 10 ⇒R= ⇒R= ⇒ R = 500Ω I LED 20mA 0,02

Na prática podemos escolher o resistor comercial com valor mais próximo, ou R = 470Ω.

Exercício 3-1: No exemplo anterior, calcule a corrente no LED considerando o resistor R = 470Ω.

3.1.2. FOTODIODO O fotodiodo é um diodo com uma junção PN projetada para responder a uma excitação óptica, ou seja, ele é um componente eletrônico do tipo fotodetector. Pode ser usado tanto na polarização direta como na reversa. Na polarização direta, o funcionamento é o de uma célula fotovoltaica, isto é, quando a luz incide sobre o componente, há o surgimento de uma pequena corrente. Na polarização reversa ele pode ser usado como detector de luz. Nesta situação ele tem uma resistência altíssima que diminui com a incidência da luz. Monitorando-se esta corrente reversa, tem-se um detector bastante sensível à variação da luz. Quanto maior a incidência de luz, maior a corrente reversa que passa por ele. A sensibilidade é dada em Ampere/Lux (1 lux = 1 lumen/m2)

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3.2. DIODO ZENER O diodo zener é um diodo construído especialmente para operar polarizado reversamente, na região de ruptura. A figura abaixo mostra a simbologia do diodo zener, sendo a 3-2a a mais utilizada nos esquemas eletrônicos.

Figura 3-2 – simbologias do diodo zener.

3.2.1. CURVA CARACTERÍSTICA Observa-se na figura seguinte a curva característica do diodo zener, bastante semelhante à de um diodo retificador comum.

Figura 3-3 – curva característica do diodo zener.

A sua principal aplicação é como regulador de tensão, que pode ser observado na figura acima. O diodo zener, polarizado reversamente, inicia a condução de corrente a partir da tensão zener, que é especificada de acordo com o tipo do zener. Assim, nota-se na figura 3.3 que a corrente sobre ele aumenta rapidamente, enquanto a tensão permanece aproximadamente constante e igual à tensão zener. versão 20070801

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IZmin é a corrente mínima que deve passar pelo diodo para se obter o efeito zener. Izmax é a máxima corrente suportada por ele. Acima desta corrente o componente é destruído. VZ é a chamada tensão de zener. Estes diodos podem ser produzidos com tensão zener (VZ) da ordem de 3V até centenas de Volts.

3.2.2. POLARIZAÇÃO A polarização do zener também necessita de um resistor limitador de corrente em série, conforme figura 3-4 seguinte. Vale ressaltar que o diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente e a queda de tensão sobre ele é de aproximadamente 0,7V.

Figura 3-4 – diodo zener e resistor limitador de corrente.

Exemplo 3-2: No circuito abaixo, calcule a corrente que passa pelo diodo zener.

330 Ohms

15V

Iz

Vz = 6V

Solução:

V = R× I

ou

I=

V R

Assim,

IZ =

VCC − VZ 15 − 6 9 ⇒ IZ = ⇒ IZ = ⇒ I Z = 0,0273 A R 330 330

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ou

I Z = 27,3mA

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3.2.3. POTÊNCIA E CORRENTE MÁXIMA Além da tensão VZ, os diodos zener também têm especificado a sua potência. Com base nestes dois parâmetros pode-se saber a corrente máxima que ele pode suportar. Exemplo 3-3: Suponha um diodo zener de 5,6V e de 400mW de potência. Qual a corrente máxima que pode passar por ele? Solução: Sabendo-se que:

P =V ×I

Substituindo os valores:

ou

I Z max =

I=

P V

PZ 400mW 0,4 ⇒ I Z max = = ⇒ I Z max = 71mA VZ 5,6V 5,6

Na prática não seria aconselhável que o componente trabalhasse na condição limite. Em geral, os fabricantes colocam nas folhas de dados uma corrente IZmax da ordem de 90%. Em nosso caso seria algo em torno de 64mA (= 71 X 0,9).

3.2.4. REGULADOR DE TENSÃO A principal atuação do diodo zener é como regulador de tensão. Na figura abaixo (3-5) foi adicionado um resistor RL de carga em paralelo com o diodo zener. Isto significa que a tensão sobre o resistor RL será igual a tensão VZ, mesmo que haja alguma variação na tensão da fonte.

Figura 3-5 – resistor de carga adicionado ao circuito.

Exemplo 3-4: No circuito abaixo calcule as correntes.

Solução: Começando com IS que é a corrente que passa por RS: versão 20070801

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IS =

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VCC − VZ 15 − 6 9 = = ⇒ I Z = 27,3mA RS 330 330

(repare que é o mesmo valor calculado no exemplo 3-2)

Cálculo de IL:

V 6 6 IL = Z = = ⇒ I L = 6mA R L 1K 1000

(a tensão sobre RL é a própria tensão VZ)

Repare também que IS é a corrente total do circuito, então:

IS = IZ + IL

ou

IZ = IS − IL

=>

I Z = 27,3 − 6

=>

I Z = 21,3mA

Comparando com o exemplo 3-2, nota-se que a corrente total é a mesma, só que neste circuito, 6mA são desviados para o resistor RL.

É importante saber que o zener só atuará como regulador, se a tensão sobre o resistor RL for maior do que a tensão VZ se o zener for retirado do circuito. Tomando-se novamente o circuito acima, sem o diodo zener (figura 3-6):

Figura 3-6 – circuito do exemplo 3-4 sem o diodo zener.

Primeiro calcula-se IS:

I =

VCC 15 = ⇒ I S = 11,3mA RS + R L 330 + 1000

Então,

VL = RL × I S

=>

VL = 1KΩ × 11,3mA

=>

VL = 11,3V

Como VL é maior que VZ, colocando-se o zener de 6V, haverá regulação. Exercício 3-2: Tente calcular as correntes no circuito do exemplo 3-4, porém, considere o resistor RL igual a 150Ω. O que acontece?

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BIBLIOGRAFIA MALVINO, Albert Paul – ELETRÔNICA - vol. 1 – São Paulo: Ed. McGraw-Hill, 1986 MALVINO, Albert Paul – ELETRÔNICA NO LABORATÓRIO – São Paulo: Ed. McGrawHill, 1987 CRUZ, Eduardo – ELETRICIDADE APLICADA em Corrente Contínua – São Paulo: Editora Érica, 2006. CIPELLI, A. M. V.; MARKUS, O.; SANDRINI, W. – TEORIA E DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS DE CIRCUITOS ELETRÔNICOS – São Paulo: Editora Érica, 2001.

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APÊNDICE A – FOLHA DE DADOS

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