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1'( \ J It." I'.. '1 I (\~ I -or. t for 1 I 14 'I Capítulo 5 OIOOOSPARAAPLICAÇÕESESPECIAIS + Os diodos retificadores são os tipos mais comuns de diodos. Eles são usados nas fontes de alimentação para converter a tensão ca em cc. Mas retificação não é a única função de um diodo. Discutiremos agora os diodos usados em outras aplicações. O capítulo começa com o diodo Zener, que é otimizado para funcionar com suas propriedades de ruptura. Os diodos Zener são muito importantes porque são os principais compo- nentes na regulagem de tensão. Este capítulo trata também dos diodos optoeletrônicos, Schottky, varactores e outros. Após o estudo deste capítulo, você deverá ser capaz de: ~ Mostrar como são usados os diodos e calcular os vários valores relacio- nados com sua operação. ~ Listar os vários dispositivos optoeletrônicos e descrever como cada um deles funciona. ~ Citar duas vantagens que os diodos Schottky apresentam sobre os diodos comuns. ~ Explicar como o varactor funciona. ~ Citar a principal aplicação do varistor. ~ Listar quatro parâmetros de interesse para o técnico encontrados nas folhas de dados. 149 150 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.5 5.1 o 01000 ZENER Os diodos de pequeno sinal e retificadores nunca operam intencionalmente na região de ruptura porque isso danifica-os. Um diodoZener é diferente. Ele é um diodo de silício que o fabricante otimizou para operar na região de ruptura. Algumas vezes chamado diodode ruptura,o diodo Zener é o elemento principal dos reguladores de tensão, circuitos que mantêm a tensão na carga quase constante, independentemente da alta variação na tensão de linha e na resistência de carga. GráficoI-V A Figura S.la mostra o símbolo esquemático de um diodo Zener. A Figura S.lb é um símbolo alternativo. Em qualquer um desses símbolos, a linha lembra a letra z, de Zener. Variando o nível de dopagem de um diodo de silício, um fabricante pode produzir diodos Zener com tensões de ruptura de cerca de 2 V até 200 V.Esses diodos podem operar em qualquer uma das três regiões: direta, de fuga e d~ ruptura. A Figura 5.le mostra o gráfico I-V de um diodo Zener. Na região direta, ele começa a conduzir próximo de 0,7 V,exatamente como um diodo de silício comum. Na região de fuga (entre Oe a ruptura) a corrente nele é pequena e reversa. Num diodo Zener, a ruptura apresenta a curva do joelho muito acentuada, seguida de uma linha quase vertical em corrente. Observe que a tensão é quase constante, aproximadamente igual a Vz, sobre a maior parte da região de ruptura. As folhas de dados geralmente especificam o valor de Vz em uma corrente particular de teste e IzT' I -Vz v t t ~-IzT ~-IZM (a) (b) (c) Figura5.1 o diodo Zener. (a) Símbolo; (b) símbolo alternativo; (c) a curva do diodo. " , I 11 1 ti Cap.5 Diodos para aplicações especiais 151 A ResistênciaZener Como todos os diodos apresentam uma resistência de corpo nas regiões p e n, a corrente através de um diodo Zener produz uma pequena queda de tensão, além da tensão de ruptura. Dizendo isso de outro modo, quando um diodo Zener está operan- do na região de ruptura da Figura 5.1e, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento de tensão. O aumento é muito pequeno, tipicamente da ordem de alguns décimos a 1 V.Isso pode ser importante quando se está projetando, mas não faz muita diferença quando se verifica defeitos ou mesmo quando se faz uma análise preliminar. A não ser quando indicado, nossas discussões ignoram a resistência Zener. oReguladorZener Um diodo Zener às vezes também é chamado diodo reguladorde tensão,por que ele mantém uma tensão na saída constante, embora a corrente nele varie. Para uma operação normal, você deve polarizar o diodo Zener reversamente, conforme mostra- do na Figura 5.2a. Além disso, para obter uma operação na ruptura, a tensão da fonte V5 deve ser maior que a tensão de ruptura Zener Vz. Um resistor Rsem sérieé sempre usado para limitar a corrente de Zener num valor abaixo de sua corrente máxima nominal. Caso contrário, o diodo Zener queimaria como qualquer outro dispositivo submetido a uma dissipação de potência muito alta. A Figura 5.2b mostra um modo alternativo de desenhar o circuito com os pontos do terra. Se um circuito é aterrado, ele geralmente facilita a obtenção de medições de tensão nos nós do circuito em relação ao terra. De fato, se você está usando um voltímetro com um borne de aterramento, seu terminal comum pode ser aterrado. Nesse caso, é preciso medir as tensões dos pontos em relação ao terra. Rs 0 +Vs - _Vz Vs Rs Vz r1 + 1 - + Vz Rs PONTE I + RElIFICAOORA COMFILIRO Vs CAPACITlVO - - - - Figura52 (a) O regulador Zener. (b) (c) Por exemplo, suponha que você deseja saber a tensão no resistor em série da Figura 5.2b.Aqui está o modo usual de medir essa tensão quando você tem um circuito montado. Primeiro, meça a tensão do lado esquerdo de Rs para o terra. Segundo, meça a tensão do lado direito de Rs para o terra. Terceiro, subtraia esses dois valores de 152 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 tensão para obter a tensão em Rs. Esse método indireto se faz necessário porque o terminal comum de muitos voltímetros é aterrado. (Observação:Se você tem um voltí- metro comum, a medição de tensão pode ser feita diretamente no resistor em série.) A Figura 5.2c mostra a saída de uma fonte de alimentação conectada num resistor em série e num diodo Zener. Esse circuito é usado quando você quer, na saída, uma tensão média menor que a tensão de alimentação da fonte de alimentação. Um circuito como esse é chamado reguladorde tensãoa Zener, ou simplesmente regulador Zener. AplicandoNovamentea lei de Ohm Na Figura 5.2, a tensão no resistor em série é igual à diferença entre a tensão da fonte e a tensão no Zener. Logo, a corrente através do resistor é Vs - Vz Is=~ (5.1) Uma vez obtido o valor da corrente no resistor em série, você obtém também o valor da corrente no Zener. Por quê? Porque a Figura 5.2 é um circuito em série e você sabe que a corrente num circuito em série é a mesma em qualquer ponto do circuito. o DiodoIdeal Para um procedimento de verificação de defeitos ou numa análise preliminar, po- demos aproximar a ruptura como uma região vertical. Portanto, a tensão é constante mesmo que a corrente varie, o que equivale a desprezar a resistência do Zener. AFigura 5.3a mostra a aproximação ideal de um diodo Zener. Ela diz que o diodo Zener operando na região de ruptura é como uma bateria. Num circuito, isso significa que você pode substituir mentalmente um diodo Zener por uma fonte de tensão de valor V2' desde que o diodo Zener opere na região de ruptura. SegundaAproximação A Figura 5.3b mostra a segunda aproximação de um diodo Zener. Uma resistência Zener (relativamente pequena) fica em série com uma bateria ideal. Essa resistência produz uma queda de tensão igual ao produto da corrente e da resistência. Figura5.3 A aproximação do Zener. (a) Ideal; (b) segunda aproximação. ExemploS.1 do no no Em um regúla. 10 V,indepe da fonte pr( V. (Se ares. quando de 10 V. como é de 10 a tensão em em 10 Cap.5 Diodospaa aplicaçõesespeciais 153 1 iR' TV' = -=-- Vz ó- (a) (b) + (a) (a) Figura5.4 Exemplo. Rs 0 +Vs - _Vz Rs l:-T J~ Fonte I + de . Vs Alimentação - + Vz RL - - - (a) (b) Figura5.5 O regulador Zener. 5.2 o REGULADORZENERCOMCARGA A Figura 5.5a mostra um regulador Zener com carga e a Figura 5.5b mostra o mesmo circuito numa forma prática de diagramação. O diodo Zener opera na região de ruptura e mantém a tensão na carga constante. Mesmo que haja uma variação na tensão de entrada ou na resistência da carga, a tensão na carga permanecerá constante e igual à tensão Zener. A Operaçãona Regiãode Ruptura Como você pode garantir que o diodo Zener da Figura 5.5 está operando na região de ruptura? O projetista de circuitos geralmente toma cuidado com esse aspecto. Aqui está uma fórmula que é aplicada: RL Vs VTH = Rs + RL (5.2) - 154 Eletrônica- 4gEdição- Volume1 Cap.5 820 Q 820 Q r--ANvm20 TO+40 V Vent Vsaída 20 TO40 V I f '1 I ... j Jl ~ Cap.5 Diadas para aplicações especiais 155 Essa é a tensão que existe quando o diodo Zener é desconectado do circuito. Essa tensão deve ser maior que a tensão Zener, caso contrário não ocorrerá a ruptura. Aqui está a origem dessa equação. Quando o diodo Zener for desconectado do circuito, tudo o que resta é um divisar de tensão que consiste de Rs em série com RL. A corrente nesse divisar de tensão é Vs I = Rs + RL A tensão na carga sem o diodo Zener é igual à corrente anteriormente calcula- da multiplicada pela resistência da carga. Quando você multiplica a corrente pela resistência da carga, obtém o lado direito da Equação (5.2), onde VTH representa a tensão de Thevenin. Essa é a tensão com o diodo fora do circuito. A CorrenteemSérie A não ser quando indicado, em todas as discussões futuras assumiremos que o diodo Zener está operando na região de ruptura. Na Figura 5.5, a corrente no resistor em série é dada por I I Vs - Vz Is=~ (5.3) i Essa é a lei de Ohm aplicada no resistor de limitação de corrente. Ela é a mesma, haja ou não um resistor de carga. Em outras palavras, se você desconectar o resistor de carga, a corrente no resistor em série ainda será igual à tensão no resistor dividida pela resistência. A CorrentenaCarga Idealmente, a tensão na carga é igual à tensão no Zener, porque a resistência de carga está em paralelo com o diodo Zener. Em forma de equação temos VL = Vz (5.4) Isso nos permite usar a lei de Ohm para calcular a corrente na carga: 156 Eletrônica - 4e Edição - Volume 1 Cap.S VL h = RL (5.5) A CorrentenoZener Pela lei de Kirchhoff, 15 = 1z + h o diodo Zener e o resistor de carga estão em paralelo. A soma de suas correntes é igual à corrente total, que é a mesma corrente no resistor em série. Podemos rearranjar a equação anterior para obter esta importante fórmula: 1z = 15 + h (5.6) Ela diz que a corrente no Zener já não é mais igual à corrente no resistor em série, como no caso do regulador Zener sem carga. Por causa do resistor em série, a corrente no Zener agora é igual à corrente no resistor em série menos a corrente na carga. A OndulaçãonoResistorde Carga Na Figura 5.5b, a saída de uma fonte de alimentação alimenta um regulador Zener. Como você já sabe, a fonte de alimentação produz uma tensão média com uma ondulação. Idealmente, o regulador Zener reduz a ondulação a zero, porque a tensão na carga é constante e igual à tensão Zener. Como exemplo, suponha que a fonte de alimentação produza uma tensão média de 20 V com uma tensão de ondulação de 2 V de pico a pico. Então, a tensão de alimentação excursiona de um valor mínimo de 19 V a um valor máximo de 21 V.A variação na tensão de alimentação alterará a corrente no Zener, mas ela quase não produz efeito na tensão de carga. Se você levar em consideração a pequena resistência Zener, verá que existe uma pequena ondulação no resistor de carga. Mas essa ondulação é muito menor que a ondulação original vinda da saída da fonte de alimentação. Na realidade, você pode estimar o novo valor da tensão de ondulação com esta equação: Rz VR(saída) = R5 + Rz VR(ent) (5.7) I i Capo5 Diodos para aplicações especiais 157 Essa equação fornece um valor aproximadamente preciso da tensão de ondulação de pico a pico. Ela origina-se da visualização do diodo Zener substituído por sua segunda aproximação. Em relação à ondulação, o circuito age como um divisor de tensão formado por Rs em série com Rz. 270 Q ~ 18V~Ik!J 270 Q Fonte 1 + de 18 V Alimentação - + 10 V 1 kQ - - - (a) (b) Figura 5.6 Exemplo. ~ I I I Exemplo5.2 A Figura 5.6 tem os RL=1 kQ. O diodo Solução Qe (5.2), como segue: O 158 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 o Coeficientede Temperatura Um ponto final: com o aumento da temperatura ambiente(em torno do componente), a tensão Zener muda ligeiramente. Nas folhas de dados, o efeito da temperatura é fornecido pelo coeficientede temperatura, que é a variação em porcentagem por grau Celsius. Um projetista precisa calcular a variação na tensão Zener quando a temperatu- ra ambiente estiver no seu valor máximo. Mas um técnico em manutenção também precisa saber que temperatura muda a tensão Zener. Para os diodos Zener com tensão de ruptura abaixo de 5 V,o coeficiente de temperatura é negativo. Para os diodos Zener com tensão de ruptura acima de 6 V,o coeficiente de temperatura é positivo. Entre 5 e 6 V,o coeficiente de temperatura muda de negativo para positivo. Isso significa que você pode encontrar um ponto de opera- ção para um diodo Zener no qual o coeficiente de temperatura é nulo. Isso é importante em algumas aplicações nas quais é necessária uma tensão Zener estabilizada sobre uma larga faixa de variação na temperatura. Exemplo5.3 Qual é o valor da corrente Zener na Figura 5.6b? Solução Você deu a tensão nos dois lados do resistor. Subtraia as tensões e você verá que 8 V é a tensão no resistor em série. Portanto, a lei de Ohm fornece Is = 8 V270 Q = 29,6mA Como a tensão na carga é de 10 V, a corrente na carga é 10V = 10mA IL = 1 kQ A corrente no Zener é a diferença entre as duas correntes: 1z = 29,6 mA - 10 mA = 19,6 mA Capo5 Diodos para aplicações especiais 159 Exemplo5.4 A folha de dados .d~úm de 8/5 Q. Suponh série de 270 O. fonte é de 2 V? sendo -resistor em na Solução de pico a Rs t r Fonte . 1 + de Vs Alimentação - RL - - - Figura5.7 o regulador Zener com o resistor de carga. ExemploS.S O SoluçãO 160 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.5 750Q 1 kQ Fonte I + de 35V Alimentação - + + 2OV 10 V 2kQ - - - - Figura5.8 Exemplo. Exemplo5.6 o que faz o circuito da Figura 5.9? Solução Na maioria das aplicações, os diodos Zener são usados na regulagem de tensão, onde eles permanecem na região de ruptura. Mas existem exceções. Algumas vezes, os diodos Zener podem ser usados em circuitos formadores de onda como na Figura 5.9. Observe a conexão em anti-série dos dois diodos. No semiciclo positivo, o diodo superior conduz e o diodo inferior corta. Portanto, a saída é ceifada conforme mostrado. Os níveis de ceifamento são iguais à tensão Zener (tensão de ruptura do diodo) mais 0,7 V (tensão do diodo diretamente polarizado). No semiciclo negativo, a ação é invertida. O diodo inferior conduz e o diodo superior entra na região de ruptura, Desse modo, atensão na saída tem a aparência de uma onda quadrada. Quanto maior a amplitude do sinal senoidal de entrada, maior é a aparência de uma onda quadrada Ila saída. R °. []] ~ Vz + 0,7 O-qflfb -Vz -0,7 Figura5.9 O diodo Zener usado em combinação num circuito limitador. ~ t Cap.5 Diodos para aplicações especiais 161 5.3 DISPOSITIVOSOPTOELETRÔNICOS A optoeletrônicaé a tecnologia que combina a ótica com a eletrônica. Esse campo inclui vários dispositivos baseados na ação de uma junção pn. Podemos citar como exemplo de dispositivos opto eletrônicos os diodos emissores de luz (LEDs), fotodiodos, acopla- dores óticos etc. Nossa discussão começa com o LED. oDiodo Emissorde Luz A Figura 5.10amostra uma fonte conectada a um resistor e um LED. As setas que apontam para fora simbolizam a luz irradiada. Num LED diretamente polarizado, os elétrons livres cruzam a junção e caem nas lacunas. Como esses elétrons caem de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns, essa energia é dissipada em forma de calor. Mas, num LED, a energia é irradiada em forma de luz. Os LEDs substituem as lâmpadas incandescentes em várias aplicações por causa de sua baixa tensão, longa vida e por terem um bom funcionamento em circuitos de chaveamento (liga-desliga). Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a passagem da luz. Os LEDs são diferentes. Pelo uso de elementos como o gálio, arsênico e fósforo, um fabricante pode produzir LEDs que irradiam as luzes vermelha, verde, amarela, azul, laranja ou infravermelha (luz invisível). Os LEDs que produzem irradia- ção deluz visível são úteis nos instrumentos, calculadoras ete. O LED infravermelho encontra aplicações nos sistemas de alarme contra ladrão e outras áreas que necessitam de irradiação infravermelha. A Tensão e a Corrente no LED O resistor da Figura 5.10 é o usual resistor de limitação de corrente, para evitar que a corrente exceda ao valor máximo nominal do diodo. Como o resistor tem uma tensão nodal Vs no lado esquerdo e uma tensão nodal VD no lado direito, a tensão no resistor é a diferença entre essas duas tensões. Com a lei de Ohm, a corrente em série é Vs - VD ls=~ (5.8) Para a maioria dos LEDs disponíveis comercialmente, a queda de tensão típica é de 1,5a 2,5V para correntes entre 10 e 50 mA. A queda de tensão exata depende da corrente no LED, da cor, da tolerância etc. 162 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S A não ser quando indicado o contrário, usaremos uma queda de tensão nominal de 2 V quando estivermos verificando defeitos ou analisando circuitos com LED neste livro. Rs Rs D +'lVs -=- VD- - Fonte 1 +de VsAlimentação - +I 'lVD- - (a) (b) Figura5.10 Circuitos com LEDs. o IndicadordeSete Segmentos A Figura 5.11a mostra um indicador de sete segmentos. Ele contém sete LEDs com formato retangular (de A a G). Cada LED é chamado segmento porque ele faz parte do caractere indicado. A Figura 5.11bmostra um diagrama elétrico do indicador de sete segmentos. São incluídos resistores em série externos para limitar as correntes a níveis seguros. Aterrando um ou mais dos resistores, podemos formar quaisquer dígitos de Oa 9. Por exemplo, aterrando A, Be C, obtemos o 7. Aterrando A, B,C, D e G, formamos o dígito 3. Um indicador de sete segmentos pode mostrar letras maiúsculas também, como A, C, E e F, além das letras minúsculas b e d. Os equipamentos de treinamento com microprocessadores usam sempre os indicadores de sete segmentos, que mostram todos os dígitos de Oa 9, mais as letras A, b, C, d, E e F. O indicador de sete segmentos da Figura 5.11b é chamado anodo comum, porque todos os anodos estão conectados juntos. Também está disponível no comércio o tipo catadocomum, onde todos os catodos são conectados juntos. o Fotodiodo Conforme discutido anteriormente, uma das componentes da corrente reversa num diodo é o fluxo de portadores minoritários. Esses portadores existem porque a energia térmica mantém os elétrons de valência desalojados de suas órbitas, produzindo assim elétrons livres e lacunas. A vida média dos portadores minoritários é curta, mas enquanto eles existirem, podem contribuir para a permanência da corrente reversa. Cap.5 Diodos para aplicações especiais 163 'l 'l + 'l FA B 'l 'l'l Gc D (b) E Figura5.11 (a) O indicador de sete segmentos; (b) o diagrama elétrico. Quando a energia luminosa bombardeia uma junção pn, ela pode deslocar elétrons de valência. Quanto mais intensa for a luz incidente na junção, maior será a corrente reversa num diodo. Um fotodiodoé otimizado para ter uma alta sensibilidade à luz incidente. Nesse diodo, uma janela deixa passar a luz através do encapsulamento da junção. Aluz penetrante produz elétrons livres e lacunas. Quanto maior a intensida- de luminosa, maior o número de portadores minoritários e maior a corrente reversa. I r A Figura 5.12 mostra o símbolo elétrico de um fotodiodo. As duas setas representam a luz penetrante. Uma o",?servaçãoimportante é que a fonte e o resisto r polarizam o fotodiodo reversamente. A medida que a intensidade luminosa aumenta, a corrente reversa aumenta. Para os diodos típicos, a corrente reversa é da ordem de décimos de microampere. Figura5.12 O fotodiodo. o AcopladorÓtico vn~ Um acoplador ótico (também chamado isoladoróticoou isoladorcomacoplamentoótico) combina um LED com um fotodiodo num encapsulamento único. A Figura 5.13 mostra um acoplador ótico. Ele tem um LED nO lado da entrada e um fotodiodo nO lado da saída. A fonte de tensão da esquerda e o resistor em série estabelecem uma corrente através do LED. Portanto, a luz do LED incide sobre o fotodiodo, e isso estabelece uma A- F / G /B E/ /C D ..\ (a) 164 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 corrente reversa no circuito de saída. Essa corrente reversa produz uma tensão no resistor de saída. A tensão na saída é igual à tensão da fonte de saída menos a tensão no resistor. Quando a tensão na entrada varia, a intensidade de luz também varia. Isso significa que a tensão na saída varia segundo a variação da tensão na entrada. É por isso que a combinação de um LED com um fotodiodo é chamada acoplador ótico. Esse dispositivo pode acoplar um sinal de entrada para um circuito de saída. A principal vantagem de um acoplador ótico é o isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e de saída. Com um acoplador ótico, o único contato entre a entrada e a saída é o feixe de luz. Por isso, é possível obter um isolamento resistivo entre os dois circuitos da ordem de megaohms. Um isolamento desse tipo é útil em aplicações de alta tensão nas quais os potenciais dos dois circuitos podem diferir em vários milhares de volts. RI G+VI - v"nt - ~ Figura5.13 o acoplador ótico. Exemplo5.7 Na Figura 5.10, a fonte de tensão é de 10 V e a resistência em série é de 680 Q. Qual é a corrente no LED? Solução Use a tensão nominal do LlID~mo se~dode~V.AssÚ'n,a tensãonoresistor em série é de 10V do lado esquerdo e de 2 V do lado direito. Isso significa que a tensão no resistor é de 8 V.Concluímos o problema com a lei de Ohm: I=~ 680 Q = 11,8mA ~ Cap.5 Diodos para aplicações especiais 165 5.4 o 01000SCHOTTKV Em baixas freqüências, um diodo comum pode entrar em corte facilmente quando a polarização muda de direta para reversa. Mas, com o aumento da freqüência, o diodo atinge um ponto em que ele já não pode entrar em corte com rapidez suficiente para evitar uma corrente apreciável durante o período do semiciclo reverso. Esse efeito é conhecido como armazenamento de carga. Isso limita o uso dos diodos retificadores comuns em altas freqüências. O que ocorre é o seguinte: quando um diodo está diretamente polarizado, alguns portadores na camada de depleção ainda não se recombinaram. Se o diodo tiver sua polarização invertida repentinamente, esses portadores podem circular no sentido inverso por um breve instante. Quanto maior a vida média, maior a quantidade de cargas que contribui para a corrente reversa. t ~ O tempo que leva para um diodo entrar em corte quando reversamente polarizado é chamado tempo de recuperação reversa. O tempo de recuperação é tão curto num diodo de pequeno sinal que você não nota esse efeito em freqüências abaixo de 10 mHz. Só quando a freqüência está bem acima de 10 mHz é que esse efeito se torna importante. Asoluçãoé um dispositivo de aplicaçãoespecialchamadodiodoSchottky.Esse tipo de diodo não tem camada de depleção, o que elimina as cargas armazenadas na junção. A falta de cargas armazenadas significa que o diodo pode entrar em corte mais rápido que um diodo comum. De fato, um diodo Schottky pode retificar facilmente freqüências acima de 300 mHz. A aplicação mais importante dos diodos Schottky é nos microcomputadores. A velocidade de operação dos computadores depende da rapidez com que os diodos e transistores podem entrar em condução e em corte. É aí que entra o diodo Schottky. Como não tem cargas armazenadas, o diodo Schottky tornou-se o elemento principal da lógica TTL Schottky de baixa potência, uma família de dispositivos digitais larga- mente usada. Um ponto final: um diodo Schottky, quando diretamente polarizado, apresen- ta uma barreira de potencial de apenas 0,25 V. Portanto, você pode notar o uso de diodos Schottky em pontes retificadoras de baixa tensão, porque você só subtrai 0,25V de cada diodo, em vez de 0,7 V. -- 166 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 5.5 o VARACTOR o varactor (também chamado capacitância variável com a tensão, varicap, epicap e diodo de sintonia) é largamente usado nos receptores de televisão, receptores de FM e outros equipamentos de comunicação. Veja aqui a idéia básica: naFigura 5.14a,a camada de depleção está entre a região p e a região n. As regiões p e n funcionam como as placas de um capacitor e a camada de depleção funciona como o dielétrico. Quando um diodo é reversamente polarizado, a largura da camada de depleção cresce com o aumento da tensão reversa. Como a camada de depleção fica mais larga com a tensão reversa, a capacitância diminui. Isso é equivalente ao afastamento das placas de um capacitor. A idéia básica é que a capacitância é controlada pela tensão. p n +++1 +++1+++ --jf-- CAMADA DE DEPLEÇÁO (a) . CT* . (b) CT o ~E o V (c) (d) Figura 5.14 o varactor. (a) Estrutura; (b) circuito equivalente; (c) símbolo elétrico; (d) gráfico. A Figura 5.14b mostra o circuito equivalente para um diodo reversamente polarizado. Em altas freqüências, o varactor age como se fosse uma capacitância variável. A Figura 5.14dapresenta como a capacitância varia com a tensão reversa. Esse gráfico mostra que a capacitância diminui quando a tensão reversa aumenta. A idéia realmente importante aqui é que a tensão reversa controla a capacitância. Isso abre as portas para o controle remoto. - Cap.5 Diodos para aplicações especiais 167 A Figura 5.14cmostra o símbolo elétrico de um varactor. Como esse disposi- tivo é usado? Vocêpode conectar um varactor em paralelo com um indutor para obter um circuito ressonante. Portanto, você pode mudar a tensão reversa para mudar a freqüência de ressonância. Esse é o princípio da sintonia de uma estação de rádio, de um canal de TV etc. 5.6 OS VARISTORES Descargas atmosféricas, defeitos nas linhas de transmissão etc. podem provocar inter- ferências nas linhas de alimentação, sobrepondo quedas, picos e outros transientes sobrea rede normal de 127Vrms. Asquedasde tensão duram cercade microssegundos ou menos.Ospicosde tensãosão elevaçõesna tensão de curta duração de 500a até mais de 2000 V.Em alguns equipamentos são usados filtros entre a linha de alimentação e o primário do transformador para eliminar os problemas causados pelos transientes de linha. ~ Um dos dispositivos usados para filtrar a linha é o varistor (conhecido também como supressorde transiente).O dispositivo é feito de material semicondutor e funciona como dois diodos Zener ligados em anti-série com uma tensão de ruptura alta nos dois sentidos de polarização. Por exemplo, o V130LA2 é um varistor com uma tensão de ruptura de 184V (equivalente a uma tensão de 130V rms) e uma corrente de pico nominal de 400 A. Conecte um desses dispositivos em paralelo com o enrolamento primário e você não terá de se preocupar com os picos de tensão. O varistor grampeará todos os picos acima do nível de 184V e protegerá seu equipamento. i 5.7 A INTERPRETAÇÃODAFOLHADEDADOS DOSDIODOSZENER O Apêndice mostra a folha de dados para a série 1N746 dos diodos Zener. Essa folha de dados apresenta também as séries 1N957 e 1N4370. Consulte as folhas de dados durante as discussões a seguir. Voltamos a esclarecer que a maioria das informações é dirigida aos projetistas, mas existem alguns parâmetros que os técnicos em manu- tenção e os verificadores precisam conhecer. 168 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 A Potênciade DissipaçãoMáximado DiodoZener A dissipação de potência num diodo Zener é igual ao produto de sua tensão por sua corrente: pz = Vz1z (5.9) Por exemplo, se Vz = 12 V e 1z = 10 mA, entãq Pz = (12 V)(10 mA) = 120mW Enquanto Pz for menor que a potência nominal, o diodo Zener poderá operar na região de ruptura sem ser destruído. Os diodos Zener podem ser encontrados comercialmente com potências na faixa de ia mais que 50 W. Por exemplo, a folha de dados da série lN746 diz que a potência nominal máxima é de 400 mW. Um projeto seguro inclui um fator de segurança para manter a dissipação de potência bem abaixo de seu valor máximo, 400 mW. Conforme mencio- nado anteriormente, um fator de segurança igual a 2 ou mais é usado pelos projetistas mais precavidos. A CorrenteMáxima noDiodoZener As folhas de dados geralmente incluem a correntemáximaà qual um diodo Zener pode ser submetido sem exceder sua potência máxima. Sua corrente máxima está relacio- nada com a potência nominal, corno segue: PZM 1ZM = Vz (5.10) onde 1ZM= corrente máxima nominal do Zener PZM = potência nominal vZ = tensão Zener Por exemplo, o diodo lN759 tem urna tensão Zener de 12 V.Portanto, ele tem urna corrente máxima de 400 mW = 33,3 mA1ZM= 12 V J Cap.5 Diodos para aplicações especiais 169 A folha de dados fornece duas correntes: 30 e 35 mA. Observe que esses valores incluem nossa resposta teórica de 33,3 mA. A folha de dados fornece dois valores por causa da tolerância na tensão Zener. Ao satisfazer a corrente nominal, você automaticamente satisfaz a potência nominal. Por exemplo, se você mantiver a corrente Zener máxima abaixo de 33,3 mA, também manterá a potência máxima de dissipação abaixo de 400 mW. Se você usar o fator de segurança 2, não precisa se preocupar com um projeto de ventilação para o diodo. A TolerâncianaTensãoZener A observação 1 na folha de dados mostra as seguintes tolerâncias: A série lN746: :!:lO%;se existir o sufixo A: :!:5por cento :!:lO%;se existir o sufixo A: :!:5por cento A série lN4370: A série lN957: :!:20%;se existir o sufixo A: :!:lO%; se existir o sufixo B: :!:5%. ~ ~. Por exemplo, um lN758 tem uma tensão Zener de 10 V com uma tolerância de :!:!O%,enquanto o lN758A tem a mesma tensão Zener com uma tolerância de :1:5%. O lN967 tem uma tensão Zener de 18 V com uma tolerância de :1:20%.O lN967 A tem a mesma tensão Zener com uma tolerância de :1:10%e o lN967B tem a mesma tensão Zener com uma tolerância de :1:5%. AResistênciaZener A resistência Zener (também conhecida como impedânciaZener) pode ser designada por RZT ou ZZT. Por exemplo, o lN961 tem uma resistência Zener de 8,5 Q medida com uma corrente de teste de 12,5 mA. Enquanto a corrente Zener for maior que a corrente de joelho na curva Zener, você pode usar 8,5 Q como um valor aproximado da resistência Zener. Mas observe que a resistência Zener aumenta no joelho da curva (700 Q). A idéia principal é a seguinte: a operação deve ficar na corrente de teste, ou próxima desse valor, se possível o tempo todo. Com isso, você sabe que a resistência Zener é relativamente baixa. A folha de dados contém muitas informações adicionais, mas é dirigi da mais ao projetista. Se você está envolvido num projeto, você deve ler as informações conti- das nas folhas de dados atenciosamente, incluindo as notas que especificam os valores medidos. 170 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S oFator de Degradação o fator dedegradaçãomostrado na folha de dados informa em quanto será reduzida a potência de dissipação de um dispositivo. Por exemplo, a série lN746 tem uma po- tência nominal de 400 mW para uma temperatura de 50°c. O fator de degradação é dado como sendo 3,2 mW para cada grau Celsius acima de 50°.Mesmo que você não esteja numa atividade de projeto, deve estar ciente do efeito da temperatura. Sejá sabe que a temperatura de operação está acima de 50"C,o projetista deve reduzir a potência nominal do diodo Zener. 5.8 VERIFICAÇÃODEDEFEITOS A Figura 5.15mostra um regulador Zener. Quando o circuito está funcionando normal- mente, a tensão entre o ponto A e o terra é de +18 V,a tensão entre o ponto B e o terra é de +10 V e a tensão entre o ponto C e o terra é de +10 V. +18V A B 270 QRs c 01 10V RL 1 kQ - - Figura5.15 o regulador Zener. Vamos discutir agora os tipos de defeitos que podem ocorrer com esse circui- to. Quando um circuito não funciona corretamente, um técnico em manutenção geral- mente começa medindo as tensões nos vários pontos do circuito. Os valores medidos fornecem os indícios que ajudam a isolar o defeito. Por exemplo, suponha que ele ou ela meça os seguintes valores de tensão: VA = + 18 V VB = + 10 V Vc = O Aqui está o que passa pela mente de um técnico em manutenção após ter encontrado esses valores medidos: \ IlJ5 ..., Cap.S Diodos para aplicações especiais 171 Será que o resistorde carga abriu? Não, nesse caso a tensão na carga seria de +10 V. Será que o resistor de carga está em curto? Não, nesse caso a tensão nos pontos B e C seriam ambos levados para o potencial do terra e a medida seria de O V. Muito bem, será que o condutor entre os pontos B e C está aberto? Sim, isso explica os valores medidos. Esse tipo de defeito produz um único sintoma. O único modo de obter esse conjunto de medidas de tensão é no momento em que a conexão entre os pontos B e C está aberta. Observe que todos os defeitos produzem um único sintoma. Algumas vezes, dois ou mais defeitos produzem os mesmos conjuntos de medidas de tensão. Aqui está um exemplo. Suponha que o técnico em manutenção obtenha as seguintes medidas de tensão: VA=+18V VB = O Vc = O Que defeito você acha que ocorreu? Pense sobre isso por alguns minutos. Quando tiver uma resposta, continue sua leitura. Vocêdeve ter pensado o seguinte: Existe uma tensão em A, mas não há tensão em B nem em C. Será que o resistor em série abriu? Se isso ocorresse, não haveria tensão em B nem em C, mas ainda haveria + 18 Ventre o ponto A e o terra. Sim, o resistor em série provavelmente está aberto. Nesse momento, o técnico desconecta o resistor em série e mede sua resis- tência com um ohmímetro. Existe a possibilidade de ele estar aberto. Mas suponha que sua medida esteja correta. Então, o técnico continua a pensar do seguinte modo: Está estranho. Bem, haverá outro modo de obter +18 V no ponto A e O Vem B e C? Será que o diodo Zener está em curto? Ou será que o resistor está em curto? Ou haverá um pingo de solda entre B ou C e o terra? Qualquer um desses defeitos pode produzir os mesmos sintomas. Agora, o técnico em manutenção tem mais possibilidades de defeitos para verificar. Eventualmente, ele ou ela encontrará o defeito. Quando os componentes queimam, eles geralmente abrem, mas nem sempre isso acontece. Alguns dispositivos semicondutores podem entrar em curto-circuito internamente, nesse caso eles apresentam uma resistência zero. Podemos citar outros modos de obter curto~circuitos, como o pingo de solda entre duas trilhas (ou filetes) nos condutores das placas de circuitos impressos, uma ilha com excesso de solda (bola de solda) pode estar legando dois filetes etc. Por isso, você deve incluir mais perguntas a respeito de componentes em curto, assim como de componentes abertos. 172 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S Exemplo.5.8 Solução as I r' ,,-0. i Capo5 Diadasparaaplicaçõesespeciais 173 TÓPICOSOPCIONAIS 5.9 ASRETASDECARGA A corrente no diodo Zener da Figura 5.100é dada por Vs - Vz 1z=% (5.11) I ORS +Vs - _vs v (a) (b) Figura 5.16 o circuito com diodo Zener. Suponha que Vs =20 V e Rs =1 kQ. Logo, a equação anterior se reduz a 20 - Vz 1z = 1000 Como antes, obtemos o ponto de saturação (intercepto vertical) fazendo Vz igual a zero e resolvendo em função de 1z para obter 20 mA. De modo idêntico, para obter o ponto de corte (intercepto horizontal), fazemos 1zigual a zero e resolvemos em função de Vz para obter 20 V. Alternativamente, você pode obter os dois extremos da reta de carga, como segue. Visualize a Figura 5.16a com Vs =20 V e Rs = 1 kQ. Com odiado Zener em curto a corrente máxima é de 20 mA. Com o diodo aberto, a tensão máxima no diodo é de 20 V. Suponha que o diodo Zener tenha uma tensão de ruptura de 12 V.Então, seu gráfico tem a aparência mostrada na Figura 5.16b. Quando plotamos a reta de carga para Vs = 20 V e Rs = 1 kQ, obtemos a reta de carga superior com os pontos de interseção de Ql. A tensão no diodo Zener será ligeiramente maior que a tensão de joelho por causa da leve inclinação na curva do diodo. Para entender como funciona a regulagem de tensão, suponha que a tensão da fonte varie para 30 V.Então, a corrente no Zener varia para 30 - Vz lz = 1000 Isso implica que os extremos da reta de carga são 30 mA e 30 V, conforme mostrado na Figura 5.16b.O novo ponto de interseção é Qz.Compare Qz com Ql e veja que passa uma corrente maior pelo diodo Zener, mas a tensão é ainda próxima da tensão Zener. Portanto, mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30 V, a tensão Zener é ainda aproximadamente igual a 12 V. Essa é a idéia básica da regulagem de tensão: a tensão de saída permanece constante mesmo com uma variação considerável da tensão de entrada. 174 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S Tabela 5.1 Efeitos e Sintomas no Regulador Zener. Defeito VA,V Va,V Vc,V Comentários Nenhum 18 10 10 Não há defeito Rsc 18 18 18 DI e RL podem queimar RSA 18 O O DIC 18 O O Rs pode queimar DIA 18 14,2 14,2 RLC 18 O O Rs pode queimar RLA 18 10 10 BCA 18 10 O Sem alimentação O O O Verifique a fonte de alimentação I r ~ 1 f..-";J- ~ Capo5 Diadas para aplicações especiais 175 5.10 A SEGUNDAAPROXIMAÇÃO A Figura 5.17 mostra a segunda aproximação de um diodo Zener. Uma resistência Zener (relativamente pequena) está em série com uma bateria ideal. Essa resistência produz uma queda de tensão igual ao produto da corrente pela resistência. Por exem- plo, a tensão em QI (Figura 5.16b)é VI = IIRz + Vz e a tensão em Q2 é V2 = 12Rz + Vz A variação na tensão é V2 - VI = (12 - II)Rz Isso é geralmente escrito como L1Vz = AIzRz (5.12) onde L1VZ = variação na tensão Zener AIz = variação na corrente Zener Rz = resistência Zener + }, ó- Vz Figura5.17 A segunda aproximação. Isso nos diz que a variação na tensão Zener é igual à variação na corrente Zener multiplicada pela resistência Zener. Geralmente, Rz é pequena, logo a variação na tensão épequena. 176 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 de Soluçã~ 5.11 A ONDULAÇÃO Um regulador Zener como o da Figura 5.18areduz a ondulação. De quanto é a redução na ondulação? Visualize o diodo Zener substituído pela segunda aproximação, confor- me mostrado na Figura 5.18b.No início da descarga do capacitor, a corrente no resistor em série é de aproximadamente Rs RETIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO RL .RETIFICADOR I + COMFILTRO IVs CAPACITIVO RL Rs Figura5.18 (a) O efeito da ondulação. (b) VS(máx) - Vz 15(máx)= R5 No final da descarga, V5(mín) - Vz 15(mín) = R5 -.......... I .,\, i'i I I \ I I I ,,.r I.~,,' Cap.5 Diodos para aplicações especiais 177 Subtraindo dessa equação, obtemos VS(máx) - VS(mín) IS(máx) - IS(mín) = Rs que geralmente é escrito como ilVS MS = Rs Rearranjando os termos, temos ilVs = MsRS Isso diz que a ondulação de entrada de pico a pico é igual à variação na corrente do resisto r em série multiplicada pela resistência em série. Antes, havíamos derivado a variação na tensão: ilVZ = MzRz Se essa for a variação máxima na Figura 5.18b,a ondulação de pico a pico no diodo Zener é igual à variação na corrente Zener multiplicada pela resistência Zener. Tomando a razão da ondulação na saída pela ondulação na entrada, obtemos ilVZ MzRz ilVs = MsRs Para uma resistência de carga constante, a variação na corrente Zener é igual à variação da corrente na fonte, logo a razão anterior se reduz para ilVZ Rz ilVs = Rs (5.13) onde ilVz = ondulação na saída ilV5 = ondulação na entrada Rz = resistência Zener Rs = resistência em série 178 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 CapoS Essa equação é útil porque ela nos diz de imediato como a ondulação de saída e a ondulação de entrada se relacionam. A equação mostra que a razão da ondulação de saída pela ondulação de entrada é igual à razão da resistência Zener pela resistência em série. Por exemplo, se a resistência Zener for de 7 Q e a resistência em série for de 700 Q, a ondulação de saída será de 1/100 da ondulação de entrada. 5.12 o PONTODESAíDADOREGULADORZENER Para um regulador Zener manter a tensão de saída constante, o diodo Zener deve permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação. Isso equivale a dizer que deve haver uma corrente Zener para todos os valores de tensão da fonte de alimentação e para todas as correntes de carga. O pior caso ocorre quando a tensão da fonte de alimentação é mínima e a corrente na carga é máxima,porque a corrente Zener cai para seu valor mínimo. Nesse caso, VS(mín)- Vz IS(mín)= RS(máx) que pode ser rearranjada como VS(mín) - Vz RS(máx) = 15(mín) (5.14) Conforme foi mostrado anteriormente, 1z = 15 - h No pior caso, isso é escrito como 1Z(mín) = 15(mín) - h (máx) O ponto crítico ocorre quando a corrente de carga é igual à corrente mínima no resistor em série: h (máx) = 15(mín) Nesse ponto, a corrente Zener cai a zero e a regulagem deixa de existir. -'""" d'l~ I i 'r Cap.5 Diadas para aplicações especiais 179 Pela substituição de h(máx) por h(mín) na Equação (5.14), obtemos a seguinte relação útil: RS(máx) VS(mín) - Vz h (máx) (5.15) onde RS(máx) = valor crítico da resistência em série VS(mín) = tensão mínima da fonte de alimentação Vz = tensão Zener h(máx) = corrente máxima na carga A resistênciacríticaRS(máx)é o valor máximo permitido para a resistência em série. A resistência em série Rs deve ser sempre menor que o valor crítico, caso contrário, a operação na região de ruptura será perdida e a ação de regulagem não mais existirá. de 5.13 A REGRAPARA OPROJETODOLED A intensidade da luz num LEDdepende da corrente. Idealmente, o melhor modo de controlar a intensidade da luz é por meio de uma fonte de corrente. O modo mais fácil de obter uma fonte de corrente é por meio de uma alta tensão e de uma resistência de alto valor em série. Nesse caso, a corrente no LED é dada por 180 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 Vs - VLED I = RS Quanto maior a tensão da fonte, menor será o efeito de VLED' Em outras palavras, o valor alto de Vs cobre as variações na tensão do LED. Por exemplo, um TIL222 é um LED verde com uma queda de tensão mínima de 1,8 V e uma queda máxima de 3 V para uma corrente de 25 mA aproximadamente. Se você alimentar um TIL222com uma fonte de 20 V e um resistor de 750 Q, a corrente variará de 22,7 a 24,3 mA. Isso implica uma intensidade que é praticamente a mesma para todos os componentes TIL222.Mas suponha que o seu projeto use uma fonte de 5 Ve um resistor de 120Q.Então,a correntevaria de cercade 16,7a 26,7mA, resultando numa variação notável da intensidade. Logo, para obter uma intensidade quase cons- tante do LED, use uma fonte de alimentação com um valor maior possível. 5.14 o TEMPO DERECUPERAÇÃOREVERSA A Figura 5.19a mostra um diodo diretamente polarizado e a Figura 5.19b ilustra as bandas de energia. Conforme você pode ver, os elétrons da banda de condução difun- diram-se através da junção e passaram para a região p antes de se recombinarem (caminho A). Similarmente, as lacunas cruzaram a junção e passaram para a região n antes que ocorressea recombinação(caminhoB). Sea vida média for igual a 1 !lS,os elétrons livres e as lacunas existirão por um período médio de 1 !lS antes que a recombinação aconteça. Devido à vida média dos portadores minoritários, as cargas num diodo diretamente polarizado ficam temporariamente armazenadas em dife- rentes bandas de energia próximo da junção. Quanto maior for a corrente, maior será o número de cargas armazenadas. Esse efeito é chamado de carga armazenada. ENERGIA ~ -1 ~ p f " n.............. ~.... ) .;.. . QQCt~OCtoo 0"'- 00000000000000 (a) (b) Figura5.19 Carga armazenada. "'- ~ 11,~ I ,.~, er Cap.S Diodospara aplicações especiais 181 A carga armazenada é importante quando você tenta chavear um diodo da condução para o corte. Por quê? Porque se você repentinamente polarizar um diodo reversamente, as cargas armazenadas podem circular no sentido reverso por alguns instantes. Quanto maior a vida média, maior a contribuição dessas cargas para a existência da corrente reversa. Por exemplo, suponha que o diodo mostrado na Figura 5.20a seja reversamente polarizado repentinamente. Então, urna corrente reversa alta pode existir por alguns momentos por causa das cargas armazenadas mostradas na Figura 5.20b. Enquanto as cargas armazenadas (elétrons livres e lacunas) cruzam a junção ou se recombinam, pode existir urna corrente reversa. O tempo necessário para cortar um diodo diretamente polarizado é chamado tempode recuperaçãoreversatrr As condições para a medição de trr variam de um fabricante para outro. Corno regra, o trr é o tempo necessário para que a corrente reversa caia para 10% da corrente direta. Por exemplo, o lN4148 tem um trrde 4 ns. Se esse diodo tiver urna corrente direta de 10 mA e repentinamente for reversamente polarizado, serão necessários aproximadamente 4 ns para que a corrente reversa dimi- nua para 1 mA. O tempo de recuperação reversa é tão pequeno num diodo de sinal que você nem nota seu efeito em freqüências iguais ou abaixo de 10 rnHz. Você só deve levar o trr em consideraçãoquando trabalhar comfreqüênciassuperiores a 10rnHz. ENERGIA FLUXODE ÉLETRONS-- L +1 ~ ....................... } FLUXO DE--LACUNAS (a) (b) Figura5.20 As cargas armazenadas podem circular no sentido reverso. Que efeito tem o tempo de recuperação reversa numa retificação? Dê urna olhada no retificador de meia onda da Figura 5.21a.Em baixas freqüências, a saída se apresenta normal porque ele é o retificador clássico de meia onda mostrado na Figura 5.21b. Porém, quando a freqüência aumenta na faixa de megahertz, o sinal de saída começa a se desviar de sua forma normal, conforme mostrado na Figura 5.21c.Corno você pode observar, existe urna corrente próxima do início do semiciclo negativo. O tempo de recuperação reversa está agora tornando urna parte significativa do período. Por exemplo, se trr= 4 ns e o período for de 50 ns, a parte inicial do semiciclo negativo terá urna ondulação similar à mostrada na Figura 5.21c. 182 Eletrônica - 4"Edição - Volume 1 Cap.5 fi ~t V ~t (a) (b) (c) Figura 5.21 (a) O retificador de meia onda; (b) a saída normal: (c) a saída distorcida por causa da carga armazenada. 5.15 o 01000 SCHOTTKV Um diodo Schottky usa um metal como ouro, prata ou platina em um dos lados da junção e um cristal de silício dopado (especialmente do tipo n) do outro lado. Quando um diodo Schottky não está polarizado, os elétrons livres do lado n estão em órbitas menores do que os elétrons livres do lado do metal. Essa diferença nos tamanhos das órbitas é chamada barreiraSchottky. Quando o diodo está diretamente polarizado, os elétrons livres do lado n podem ganhar energia suficiente para passar para uma órbita maior. Por isso, os elétrons livres podem cruzar a junção e entrar no metal, produzindo uma corrente alta direta. Como o metal não possui lacunas, não há carga armazenada nem tempo de recuperação reversa. A ausência de carga armazenada significa que o tempo de recuperação reversa se aproxima de zero. Por isso, um diodo Schottky pode chavear da condução para o corte mais rápido do que um diodo comum. Quando usado num circuito como o da Figura 5.21a,o diodo Schottky produz um sinal de meia onda perfeito como o da Figura 5.21bmesmo com freqüências acima de 300 mHz. 5.16 CARACTERíSTICASDOVARACTOR Os varactores são diodos de silício otimizados para que suas capacitâncias sejam variáveis (Figura 5.22a). Como a capacitância é controlada pela tensão, os varactores substituem os capacitores de sintonia mecânica na maioria das aplicações, tais como os receptores de televisão e rádios de automóveis. As folhas de dados dos varactores fornecem um valor de referência de capacitância medida numa tensão reversa especí- fica, tipicamente de -4 V. Por exemplo, a folha de dados do 1N5142 fornece uma capacitância de referência de 15pF a -4V. Cap.5 Diodos para aplicações especiais 183 Além do valor de referência de capacitância, as folhas de dados fornecem uma faixa de sintonia e uma faixa de tensão. Por exemplo, junto com o valor de referência de 15 pF, a folha de dados do 1N5142 mostra uma faixa de sintonia de 3:1 para uma faixa de tensão de -4 a -60 V. Isso significa que a capacitância diminui de 15 para 5 pF quando a tensão varia de -4 a -60 V. A faixa de sintoma de um varactor depende do nível de dopagem. Por exemplo, a Figura 5.22b mostra o perfil da dopagem para um diodo com junção abrupta(o tipo comum de diodo). Observe que a dopagem é uniforme em ambos os lados da junção. Isso significa que o número de lacunas e elétrons livres é igualmente distribuído. A faixa de sintoma de um diodo de junção abrupta está entre 3:1 e 4:1. 1 NÍVEL DE DOPAGEM T ~ DISTÂNC]ADA JUNÇAO (a) (b) Figura5.22 NÍVEL DE DOPAGEM nAp ~ DISTÂNqA DA JUNÇAO (c) (a) Símbolo; (b) perfil da dopagem abrupta; (c) perfil da dopagem hiperabrupta. Para obter faixas de sintonia maiores, alguns varactores têm uma junção hiperabrupta, cujo perfil de dopagem é mostrado na Figura 5.22c.Esse perfil revela que a densidade de cargas aumenta à medida que nos aproximamos da junção. A concen- tração mais forte leva a uma camada de depleção mais estreita e a uma capacitância maior. Além disso, variando a tensão reversa, obtemos efeitos mais pronunciados na capacitância. Um varactor hiperabrupto tem uma faixa de sintoma de 10:1, suficiente para sintonizar uma rádio em AM por toda sua faixa de freqüência (535até 1.605kHz). 5.17 OUTROSOIOOOS Além dos diodos de aplicações especiais discutidos anteriormente, existem alguns outros que você deve conhecer. Como eles servem a aplicações específicas, daremos apenas algumas descrições breves. A intenção é fazer com que você tome ciência de suas existências, para o caso de querer investigá-Ios com mais detalhes. 184 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 OsDiodosde CorrenteConstante Existem diodos que funcionam de modo exatamente oposto aos diodos Zener. Em vez de manter a tensão constante, esses diodos mantêm a corrente constante. Conhecidos como diodos de corrente constante (e também como diodos reguladores de corrente), esses dispositivos mantêm a corrente através deles fixa quando a tensão varia. Por exemplo, o 1N5305 é um diodo de corrente constante com uma corrente típica de 2 mA sobre uma faixa de tensão de 2 até 100 V. Os Diodosde Recuperaçãoem Degrau o diodo de recuperação em degrau tem um perfil de dopagem incomum, porque a densidade de portadores diminui próximo da junção. Essa distribuição não usual de portadores provoca um fenômeno chamado interrupçãoreversa.Durante o semiciclo positivo, o diodo conduz como qualquer diodo de silício. Mas durante o semiciclo negativo, existe uma corrente reversa por alguns instantes, por causa das cargas armazenadas, e depois cai a zero repentinamente. A interrupção da corrente num diodo de recuperação em degrau é rica em harmônicos e pode ser filtrada para produzir uma senóide com uma freqüência mais alta. Por isso, os diodos de recupera- ção em degrau são usados nos multiplicadores de freqüência, circuitos cuja freqüência de saída é um múltiplo da freqüência de entrada. OsDiodosde Retaguarda(Back Diodes) Os diodos Zener têm normalmente tensões de ruptura acima de 2 V. Por meio do aumento do nível de dopagem, podemos obter efeitos Zener para ocorrer próximo de zero. Acondução direta ainda ocorre em torno de +0,7V,mas agora a condução reversa (ruptura) começaem -0,1V aproximadamente.Um diodo como esse é chamado diodo de retaguarda,porque ele conduz melhor reversa do que diretamente polarizado. Os diodos de retaguarda são ocasionalmente usados para retificar sinais fracos, cujos picos de amplitudes estão entre 0,1 e 0,7 V. Capo5 Diodos para aplicações especiais 185 OsDiodosTúneis Pelo aumento do nível de dopagem de um diodo de retaguarda, podemos obter uma ruptura em OV.Essestipos de diodos são chamadosdiodostúneis.Essesdiodos exibem um fenômeno conhecido como resistêncianegativa. Isso significa que um aumento na tensão direta produz uma diminuição na corrente direta, pelo menos numa parte da curva direta. A resistência negativa dos diodos túneis é útil em circuitos de alta freqüência chamados de osciladores.Esses circuitos são capazes de converter uma potência cc em potência ca,porque eles criam um sinal senoidal. 186 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 --- Cap.S - --- - -- - - -- - ~QIQ AO$.~SBlDO$. RESUMO Seção 5.1 O DiodoZener o diodo Zener é aquele utilizado para operar na região de ruptura. Sua princi- pal aplicação é como regulador de ten- são - circuitos que mantêm a tensão na carga constante. Idealmente, um diodo Zener funciona como uma bateria per- feita. Para uma segunda aproximação, ele possui uma resistência de corpo que produz uma pequena tensão adicional. Seção 5.2 OReguladorZenercomCarga Quando um diodo Zener está em parale- lo com um resistor de carga, a corrente através do resistor de limitação de cor- rente é igual à soma da corrente Zener e da corrente na carga. O processo para analisar o regulador Zener consiste de calcular a corrente no resistor em série, a corrente na carga e a corrente no Zener (nessa ordem). Seção 5.3 DispositivosOptoeletrônicos O LED é largamente usado como indi- cador nos instrumentos, calculadoras e outros equipamentos eletrônicos. Pela combinação de sete LEDs num encapsu- lamento único, obtemos um indicador de sete segmentos. Um outro dispositivo optoeletrônico muito importante é o acoplador ótico, que permite acoplar um sinal entre dois circuitos alternativos. -,- ----- Seção 5.4 ODiodoSchottky O tempo de recuperação reversa é o tempo necessário para que um diodo em condução seja repentinamente chaveado para o corte. Esse tempo pode ser de apenas alguns nanossegundos, mas isso coloca um limite quanto à alta freqüência num circuito retificador. O diodo Schottky é um diodo especial com um tempo de recuperação reversa quase zero. Por isso,o diodo Schottky é muito útil em altas fre- qüências, onde são necessários tempos de chaveamento muito curtos. Seção5.5 OVaractor A largura da camada de depleção au- menta com a tensão reversa. É por isso que a capacitância de um varador pode ser controlada pela tensão reversa. Esse é o fundamento da sintonia por controle remoto de aparelhos de rádio e televisão. Seção 5.6 OsVasistores Estes dispositivos de proteção são usa- dos em paralelo com o enrolamento pri- mário de um transformador para supri- mir os picos de tensão que podem danifi- car ou poluir a tensão de entrada dos equipamentos. Seção 5.7 A Interpretaçãoda Folhade DadosdosDiodosZener Os parâmetros mais importantes de uma folha de dados dos diodos Zener são a tensão Zener, a potência nominal máxima, 1 + . j Af '<' Cap.5 Diodos para aplicações especiais 187 a corrente nominal máxima e a tolerân- cia. Os projetistas necessitam também da resistência Zener, do fator de degrada- ção e de algumas outras informações. Seção 5.8 Verificação de Defeitos A verificação de defeitos é uma arte e uma ciência. Por isso, você pode apren- der apenas alguns pontos em um livro. O resto deve ser aprendido com a expe- riência direta nos circuitos com defeitos. Como a verificação de defeitos é uma arte, você deve ter sempre em mente a pergunta 1/ e se?" e procurar seu próprio meio de solucionar um problema. EQUAÇÕESIMPORTANTES Equação5.1 A Correnteatravésdo ResistoremSérie Vs - Vz 1s=~ Esta equação você deve memorizar. Ela diz que a corrente através do resistor em série é igual à tensão no resistor em série dividida pela resistência. Isso é um outro exemplo da lei de Ohm, onde a tensão é a diferença de potencial nos extremos de um resistor. Equação5.2 A TensãodeThevenin RL Vs VTH = Rs + RL Esta é a tensão no resistor de carga quando o diodo Zener é desconectado. Uma forma de você lembrar disso é: Vs dividida por Rs + RLé a corrente na carga. Multiplique essa corrente na carga por RL e você terá o valor de VTH.O valor de VTH deve ser maior do que a tensão Zener para que exista a regulagem. Equação5.6 A CorrentenoZener 1z = 1s - II Esta é uma fórmula disfarçada da lei das correntes de Kirchhoff. Ela diz que a cor- rente no Zener é igual à diferença entre a corrente no resistor em série e a corrente na carga. Para usá-Ia, você já deve ter cal- culado os dois passos anteriores do pro- cesso: (1)o cálculo de 15,(2)o cálculo de h. Equação5.8 A Correnteno LED Vs - Vo 1s=~ Esta equação fornece a corrente através de um resistor em série com um LED. Ela diz que a correnteé igual à tensão no resistor em série dividida pela resis- tência. Use o valor 2 V para VD,a não ser que você tenha um valor mais preciso para a tensão no LED. Equação5.9 A PotênciaZener Pz = Vz1z A potência no Zener é igual à tensão no Zener multiplicada pela corrente no Ze- ner. Essa potência deve ser menor do que a potência nominal máxima forne- cida na folha de dados. Caso contrário, você pode queimar ou degradar seria- mente as características do diodo Zener. 188 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.S ATIVIDADESIIARA ti ES1'DDANtE QUESTÕES 1. Qual é a verdade sobre a tensão de ruptu- ra no diodo Zener? a) Ela aumenta quando a corrente aumenta b) Ela destrói o diodo c) Ela é igual à corrente multiplicada pela resistência d) Ela é aproximadamente constante 2. Qual das seguintes afirmações descreve melhor um diodo Zener? a) É um diodo b) É um dispositivo de tensão constante c) É um dispositivo de corrente constante d) Ele trabalha na região direta 3. Um diodo Zener a) É uma bateria b) Age como uma bateria na região de ruptura c) Tem uma barreira de potencial de 1 V d) É diretamente polarizado 4. A tensão na resistência Zener é geralmente a) Pequena b) Grande c) Medida em volts d) Subtraída da tensão de ruptura 5. Se a resistência em série diminui num regulador Zener sem carga, a corrente a) Diminui b) Mantém-se a mesma c) Aumenta d) É igual à tensão dividida pela resistência 6. Na segunda aproximação, a tensão total no diodo Zener é a soma da tensão de ruptura e da tensão no (a) a) Fonte c) Resistência Zener b) Resistor em série d) Diodo Zener 7. A tensão na carga é aproximadamente constante quando um diodo Zener está a) Diretamente polarizado b) Reversamente polarizado c) Operando na região de ruptura d) Não-polarizado 8. Num regulador Zener com carga, qual corrente é a maior? a) A corrente no resistor em série b) A corrente no Zener c) A corrente na carga d) Nenhuma dessas 9. Se a resistência de carga diminui num regulador Zener, a corrente Zener a) Diminui b) Permanece a mesma c) Aumenta d) É igual à tensão na fonte dividida pela resistência em série 10. Se a resistência de carga diminui num regulador Zener, a corrente em série a) Diminui b) Permanece a mesma c) Aumenta d) É igual à tensão na fonte dividida pela resistência em série 11. Quando a tensão da fonte aumenta num regulador Zener, qual das correntes per- manece aproximadamente constante? a) A corrente no resistor em série b) A corrente no Zener c) A corrente na carga d) A corrente total 12. Se o diodo Zener num regulador Zener foi conectado com a polaridade trocada, a tensão na carga ficará próxima de a) 0,7 V c) 14 V b) 10 V d) 18 V \ T ",, Cap.5 Diodos para aplicações especiais 189 13. Em altas freqüências, um diodo comum não funciona corretamente por causa da a) Polarização direta b) Polarização reversa c) Ruptura d) Carga armazenada 14. A capacitância de um diodo varactor au- menta quando a tensão reversa nele a) Diminui b) Aumenta c) Atinge a ruptura d) Armazena carga 15. A ruptura não destrói um diodo Zener, desde que a corrente Zener seja menor que a a) Tensão de ruptura b) Corrente de teste do Zener c) Corrente nominal máxima do Zener d) Barreira de potencial 16. Para mostrar o dígito 8 em um indicador de sete segmentos a) O segmento C deve estar ligado b) O segmento G deve estar desligado c) O segmento F deve estar ligado d) Todos os segmentos devem estar ligados 17. Um fotodiodo é normalmente a) Diretamente polarizado b) Reversamente polarizado c) Nem direta nem reversamente polarizado d) Um emissor de luz 18. Quando a intensidade de luz num foto- diodo aumenta, a corrente reversa de portadores minoritários a) Diminui b) Aumenta c) Não é afetada d) Inverte de sentido 19. O dispositivo associado à capacitância controlada pela tensão é um a) LED c) Diodo varactor b) Fotodiodo d) Diodo Zener 20. Se a camada de depleção aumentar, a ca- pacitância a) Diminui b) Permanece a mesma c) Aumenta d) É variável 21. Quando a tensão reversa aumenta, a ca- pacitância a) Diminui b) Permanece a mesma c) Aumenta d) Tem mais largura de faixa 22. O diodo varactor a) É geralmente diretamente polarizado b) É geralmente reversamente polarizado c) É geralmente não-polarizado d) Está na região de ruptura PROBLEMASBÁSICOS Seção5.1 O DiodoZener 5.1 Um regulador Zener sem carga tem uma tensão de alimentação de 20 V,uma resis- tência em série de 330 Q e uma tensão Zener de 12 V. Qual é a corrente no Ze- ner? 5.2 Se a tensão da fonte no Problema 5.1 va- riar de 20 para 40 V, qual será a corrente máxima no Zener? 5.3 Se o resistor em série do Problema 5.1 tiver uma tolerância de :t10%, qual será a cor- rente máxima no Zener? Seção 5.2 OReguladorZenercomCarga 5.4 Se o diodo Zener for desconectado na Fi- gura 5.23, qual será a tensão na carga? 190 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.5 5.5 Suponha que a tensão de alimentação na Figura 5.23 diminua de 20 para O V. Em algum valor ao longo dessa faixa, o diodo Zener não manterá a regulagem. Calcule a tensão de alimentação no qual a regula- gem será perdida. 330 Q Fonte . 1 + de . 20 V Alimentação - + 12V 1,5 kQ - - - Figura5.23 5.6 Calcule as três correntes na Figura 5.23. 5.7 Suponha uma tolerância de :1:10%em ambos os resistores da Figura 5.23, qual será a corrente máxima no Zener? 5.8 Suponha que a tensão de alimentação da Figura 5.23 varia de 20 para 40 V. Qual será a corrente máxima no Zener? 5.9 Qual é a dissipação de potência nos resis- tores e no diodo Zener da Figura 5.23? 5.10 O diodo Zener da Figura 5.23 foi substi- tuído por um lN961. Qual é a tensão na carga e a corrente no Zener? 5.11 O diodo Zener da Figura 5.23 tem uma resistência Zener de 11,5 Q. Se a fonte de alimentação tiver uma ondulação de 1 V de pico a pico, qual será a ondulação no resistor de carga? 5.12 Desenhe o diagrama elétrico de um regu- lador Zener com uma fonte de alimenta- ção de 25 V, uma resistência em série de 470 Q, uma tensão Zener de 15 V e uma resistência de carga de 15 kQ. Qual é a tensão na carga e a corrente no Zener? Seção 5.3 Dispositivos Optoeletrônicos 5.13 Qual é a corrente no LED da Figura 5.24? 5.14 Se a tensão de alimentação mi Figura 5.24 aumentar para 40 V, qual será a corrente no LED? 2,2 kQ + 15 V 'l - - Figura5.24 5.15 Se o resistor na Figura 5.24 for aumentado para 1 kQ, qual será a corrente no LED? 5.16 O resistor na Figura 5.24 é aumentada até que a corrente no LED se iguale a 13 mA. Qual será o valor dessa resistência? Seção5.7 A Interpretaçãoda Folhade DadosdosDiodosZener 5.17 Um diodo Zener tem uma tensão de 10 V e uma corrente de 20 mA. Qual é a dissi- pação de potência? 5.18 O diodo lN968 tem uma corrente de 5 mA circulando por ele. Qual é a po- tência? 5.19 O diodo Zener da Figura 5.23 é um lN963B. Qual é a tensão Zener mínima? E a máxima? 5.20 Qual é a corrE!htenominal máxima de um diodo lN758? Dê duas respostas. Pri- meiro, divida a potência nominal máxi- ma de 400 mW pela tensão Zener. Segundo, tome a média das duas cor- rentes fornecidas na folha de dados. r ~ t Cap.5 Diodos para aplicações especiais 191 115 V ac I1- Figura5.25 Seção 5.8 Verificação de Defeitos 5.21 Na Figura 5.23, qual é a tensão na carga para cada uma das seguintes condições? a) Diodo Zener em curto b) Diodo Zener aberto c) Resistor em série aberto d) Resistor de carga em curto 5.22 Se você medir aproximadamente 16,4 V para a tensão na carga da Figura 5.23, que defeito você acredita que existe? 5.23 Você mede 20 V na carga da Figura 5.23. Um ohmímetro indica que o diodo Zener está aberto. Antes de substituir o diodo Zener, que mais deve ser verificado? 1000l-lF 1N753 RI // TIL221 1N5314 - -- - 5.24 Na Figura 5.25, o LED não acende. Qual dos seguintes problemas é possível? a) V130LA2está aberto b) O terra entre os dois diod05 do lado esquerdo da ponte está aberto c) O capacitor de filtro está aberto d) O capacitor de filtro está em curto e) O resisto r de carga está aberto f) O resistor de carga está emcurto PROBLEMASAVANÇADOS 5.25 O diodo Zener da Figura 5.23 tem uma resistência Zener de 11,5 Q. Qual será a tensão na carga se você .incluir Rz nos seus cálculos? 6 V ac (GER Figura5.26 LÂMPADA 192 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.S 5.26 O diodo Zener da Figura 5.23 é um 1N963. Se a resistência de carga variar de 1 para 10 kQ, qual será a tensão mínima na carga? E a tensão máxima na carga? (Use a segunda aproximação.) 5.27 Projete um regulador Zener que contem- ple as seguintes especificações: uma ten- são na carga na fonte de 20 V e uma corrente na carga de 30 mA. 5.28 Um TIL312 é um indicador de sete seg- mentos. Cada segmento tem uma queda de tensão entre 1,5 e 2V com 20 mA. A tensão de alimentação é de :t5 V. Projete um circuito para o indicador controlado por chaves liga/ desliga que drene uma corrente máxima de 140 mA. 5.29 A tensão no secundário da Figura 5.25 é de 12,6 V rms quando a tensão na linha é de 115 V rms. Durante o dia, a tensão na linha varia em :t1O%. A tolerância dos resistores é de 5%. O IN753 tem uma tole- rância de :t10% e a resistência Zener é de 7 Q. Se R2 for igual a 560 Q, qual é o valor máximo possível de corrente no Zener em qualquer hora do dia? 5.30 Na Figura 5.25, a tensão no secundário é de 12,6 V rms e a queda nos diodos é de 0,7 V em cada um. O 1N5314 é um diodo de corrente constante de 4,7 mA. A corrente no LED é de 15,6 mA e a corrente no Zener é de 21,7 mA. O ca- pacitor de filtro tem uma tolerância de :t20%. Qual é a tensão de pico a pico má- xima? 5.31 A Figura 5.26 mostra uma parte de um sistema de luz de uma bicicleta. Os dio- dos são Schottky. Use a segunda aproxi- mação para calcular a tensão no capaci- tor de filtro. PROBLEMASUSANDOODISPOSITIVO Verificadorde Defeitos Use a Figura 5.27 para os problemas restantes. Se você ainda não fez isso, leia o Exemplo 4.11 antes de tentar resolver esses problemas. Os defeitos possíveis são componentes abertos ou em curto, terminais abertos, falta de aterramen- to etc. O retângulo designado por "OK" fornece as medidas do regulador Zener quando em funcionamento normal. Os retângulos restan- tes, "TI" até "r8", são as medidas para os dife- rentes defeitos. O retângulo maior de "medi- ções" converte os sinais em valores medidos. 5.32 Encontre o defeito 1. 5.33 Encontre o defeito 2. 5.34 Encontre os defeitos 3 e 4. 5.35 Encontre os defeitos 5 e 6. 5.36 Encontre os defeitos 7 e 8. i I ". Cap. 5 Diodos para aplicaçõesespeciais 193 +18 V E - OK VA:C2 VB: FI Vc:C5 Vo:E6 DI:A7 TI VA:D7 VB:F4 Vc:Cl Vo:F2 DI:B3 1 2 3 4 5 6 7 A B 18114,2 OK 10,5 18 ~. 110,3 O 14,2 T7 ..: B7 VB:C3 Vc:C7 Vo:E5 DI:D6 D E 1810K T8 VA:G6 VB:A4 Vc:F3 Vo:G2 DI:E7 Figura5.27 o dispositivo de verificação de defeitos TM.(Patenteado:cortesia de Malvino Inc.) DI lN758 C -~+ RL VL 1~- o 110,5114,21O F GIls- Medições T2 T3 T4 T5 T6