Relatório Experimental - Diodo Zener PDF

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Summary

Os diodos Zener são utilizados amplamente no ramo eletrônico, visto que, se polarizados inversamente, atuam como um controlador de tensão de acordo com as especificações de cada diodo....

Description

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP CAMPUS SWIFT

Eletrônica Aplicada Relatório experimental Diodo Zener

Campinas, 2014

Relatório

Técnico

apresentado

como complemento de trabalho experimental

realizado

no

laboratório de Eletrônica Aplicada, do

Curso

Mecatrônica, Paulista UNIP.

Campinas, 2014

de na

Engenharia Universidade

Capítulo 1 Sumário INTRODUÇÃO.............................................................................................................1 1.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...........................................................................2 1.1 Diodo Zener.............................................................................................................2 1.2 Diferenciação entre um diodo normal e o Diodo Zener..........................................2 1.3 Diodo Zener – Funcionamento................................................................................5 2.0 ESTABILIZAÇÃO DE TENSÃO...........................................................................8 3.0 PROCESSO EXPERIMENTAL...........................................................................10 3.1 Fonte AC:...............................................................................................................10 3.2 Fonte DC:..............................................................................................................10 4.0 RESULTADOS......................................................................................................11 4.1 Para fonte AC.........................................................................................................11 4.2 Para fonte DC........................................................................................................13 5.0 DISCUSSÃO:........................................................................................................14 6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................15

INTRODUÇÃO

Os diodos Zener são utilizados amplamente no ramo eletrônico, visto que, se polarizados inversamente, atuam como um controlador de tensão de acordo com as especificações de cada diodo.

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1.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

1.1 Diodo Zener

Os diodos zener são um tipo especial de diodo semicondutores – equipamentos que permitem que a corrente flua em apenas uma direção – que permitem que a corrente flua no sentido oposto, porém apenas quando é exposto a uma determinada corrente. Eles estão entre os componentes mais úteis para cruzar uma bancada de um engenheiro, oferecendo grandes soluções para uma série de necessidades comuns em projetos de circuitos.

1.2 Diferenciação entre um diodo normal e o Diodo Zener Para compreender como o diodo Zener é diferente dos outros diodos, precisamos revisar algumas propriedades dos diodos convencionais. Há uma série de diodos, porém, vamos utilizar como "normal” o mais utilizado, o construído de silício com a junção p-n.

Figura 1 – Direção do fluxo de um diodo “normal” 2

Diodos normalmente veem em cilindros de vidros ou plásticos, marcados com uma tira indicando sua polaridade. Num diodo ideal, a corrente flui em apenas uma direção, do anodo (lado positivo) para o catodo (lado negativo) o que é marcado com a tira.

Figura 2 – Comportamento da corrente em um diodo normal

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Figura 3 – Gráfico da corrente em um diodo normal e ideal Se ligarmos o diodo num circuito simples com uma fonte de tensão e um limitador de tensão (resistor), nós podemos medir a corrente através do diodo quando nos é dado a voltagem V que é aplicado através do mesmo. Para um diodo ideal, nenhuma corrente irá passar quando ele for ligado no sentido reverso.

Figura 4 – Gráfico de um diodo normal e real (menos ideal) É claro que nenhum diodo é realmente ideal. Nos diodos reais, quando a voltagem é reversa, uma pequena quantidade de corrente (vazamento) poderá fluir. E mais significativo ainda, cada diodo é classificado com uma máxima corrente reversa. Se aplicarmos uma voltagem mais negativa do que o limite, o diodo irá se submeter a ruptura reversa (revere breakdown) e começará a conduzir uma quantidade significativa de corrente, porém para trás da direção normal do fluxo do diodo em questão. Para um diodo normal, dizemos que ele falhou se ele começa a conduzir corrente na direção oposta. A parte física do que acontece quando ele entra no breakdown é muito interessante; dois efeitos separados, o efeito Zener e o efeito avalanche. 4

1.3 Diodo Zener – Funcionamento

Estes diodos foram construídos para que seu breakdown ocorra numa voltagem específica e bem definida (chamada também de voltagem zener), e são desenvolvidos para poderem operar constantemente no modo de breakdown. Normalmente os diodos zener são disponibilizados com a especificação da Voltagem Zener (normalmente de 1.8 ~ 200 V).

Figura 5 – Fluxo normal do diodo zener

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Figura 6 – Fluxo de corrente para trás (após a voltagem breakdown) A simbologia utilizada para o diodo zener pode ser vista acima. Os diodos zener conduzem normalmente em sua posição direta, porém, também pode conduzir eletricidade se for colocado na posição reversa, se a voltagem aplicada for maior do que a de ruptura ( breakdown).

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Figura 7 – Circuito simples utilizando diodo zener Um exemplo de aplicação típica para o diodo zener é o da figura acima. Um diodo zener de 10v (do tipo 1N4740) é colocado em série com um resistor e fixado uma fonte de tensão de 12 V. O valor da resistência é escolhido levando em consideração o fluxo de corrente do circuito mantendo a mesma na região de breakdown do diodo zener. No circuito, são 10V através do diodo zener e 2V através da resistência. Com os 2V que passam pelo resistor de 400 Ohm, a corrente que passa através do mesmo (e pelo diodo, por estar em série) é de 5mA.

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2.0 ESTABILIZAÇÃO DE TENSÃO

Os diodos zeners podem ser utilizados para estabilizar a tensão de saída com um baixo valor de ripple sobre as condições de carregamento. Por passar uma pequena corrente pelo diodo (proveniente da fonte de tensão), pelo resistor (Rs), o diodo zener irá conduzir uma corrente suficiente para manter o drop de voltagem da Vout. Já sabemos que uma corrente DC proveniente de um retificador meia onda ou onda completa contêm um ripple sobreposto na tensão DC e quando o valor da tensão sofre modificação, o Vout também sofre. Conectando, então, um simples diodo zener no circuito (será demonstrado posteriormente) um valor mais estável de corrente poderá ser produzido.

Figura 8 – Conexão do diodo zener com o circuito O resistor Rs é conectado em série com o diodo zener para que limite o fluxo de corrente através do diodo com a fonte de tensão, Vs sendo conectada através da combinação. A tensão de saída estabilizada (Vout) é adquirida pelo diodo zener. O diodo zener é conectado com seu catodo ao positivo e anodo no polo negativo do suprimento DC (será operado em seu breakdown, conforme 8

explicado anteriormente). Temos que tomar cuidado ao escolher a resistência em série (Rs), pois, um valor baixo irá resultar numa maior corrente pelo diodo quando a resistência Rl é conectada, e um valor muito alto de resistência (Rs) irá aumentar a dissipação de potência requerida pelo diodo, logo precisamos ter cuidado quando selecionamos corretamente da resistência em série, para que a máxima potência do diodo zener não tenha excedido o nãocarregamento ou a condição de alta impedância. Um dos pequenos problemas com a estabilização utilizando o diodo zener é que ele gera, às vezes, um ruído elétrico no topo da alimentação DC conforme ele tenta estabilizar a tensão. Normalmente isto não é problema para a maioria das aplicações, entretanto, um valor alto de um capacitor associado poderá ser requerido para garantir uma suavização nesse ruído gerado.

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3.0 PROCESSO EXPERIMENTAL

3.1 Fonte AC:

Monta-se o circuito no protoboard, colocando em série um diodo retificador, em paralelo um resistor de 1k Ω 0,5W, um capacitor de 1000 µF, um diodo zener e um resistor em série (1kΩ, 3k3Ω, 4k7Ω, 10kΩ). Ligar os fios na fonte geradora com transformador com 12V e posteriormente ligar a fonte. Após isto, utilizar o multimetro na escala AC de 20V para medir a tensão tensão de entrada e posteriormente na carga (resistor em paralelo) e anotar ambos os valores. Repetir o procedimento para os demais resistores.

3.2 Fonte DC:

Monta-se o circuito no protoboard, colocando em série um diodo retificador, em paralelo um resistor de 1k Ω 0,5W, um capacitor de 1000 µF, um diodo zener e um resistor em série 1kΩ. Ligar os fios na fonte geradora variável (0 ~30 V) com 0V e ligar a fonte. Após o procedimento descrito acima, com o multímetro na condição DC e 20V, medir a tensão de entrada do circuito, do diodo retificador e posteriormente na carga. Após feito isto, variar a tensão de 2 em 2 volts e repetir o procedimento.

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4.0 RESULTADOS

4.1 Para fonte AC Tabela com os valores coletados nos testes. Sendo, em ordem, resistência, tensão no diodo zener, tensão de entrada para uma fonte AC e o valor I L, sendo este calculado pela fórmula: IL = Vc/RL

R

Vd

Vout

IL (mA)

Vin - AC

1000

17,73

13

13

13,8

3300

17,73

13,1

4

13,8

4700

17,85

13,2

2,8

13,8

10000

17,75

13,16

1,3

13,8

Tabela 1 – Dados coletados para uma fonte AC

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Resistência versus Corrente 14 13 12

Corrente em mA

10 8 IL (mA) 6 4

4 2.8

2 1.3 0 1000

3300

4700

10000

Resistência em Ohm (Ω)

Gráfico 1 – Resistência versus Corrente

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4.2 Para fonte DC Utilizando o mesmo método, temos a tabela com os valores coletados: R

1K

Vd

Vout

IL (mA)

Vin - AC

0

0,93

0

0

1,43

1,79

1,79

2

3,21

2,3

2,3

4

5,27

2,59

2,59

6

7,39

2,76

2,76

8

9,2

2,89

2,89

10

11,2

3

3

12

13,2

3,08

3,08

14

15,7

3,14

3,14

16

17,4

3,2

3,2

18

19,6

3,22

3,22

20

13

Tensão de entrada vs Tensão de saída 3.5

Tensão de saída (V)

3 2.59

2.5

2.76

2.89

3

3.08

3.14

3.2

3.22

2.3 2 1.79

Vout

1.5 1 0.93 0.5 0 0

1.43

3.21

5.27

7.39

9.2

11.2

13.2

15.7

17.4

19.6

Tensão de entrada (V) Tabela 2 – Dados coletados para uma fonte AC Gráfico 2 – Tensão de entrava versus tensão de saída (volts)

5.0 DISCUSSÃO:

No primeiro experimento ficou claro que quanto maior a resistência menor a corrente (V = RI ~ R = V/I, lei de Ohm), visto que, a tensão era constante. No experimento de corrente contínua, variamos a tensão e mantivemos o mesmo valor de resistência e observamos que em certo momento a distância entre os resultados foi-se encurtando, logo, a curva (referente aos dados da tensão de saída) estava se transformando numa reta, logo, podemos facilmente perceber que o diodo zener estava operando em seu breakdown, e por consequência estabilizando a tensão.

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6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS http://amrita.vlab.co.in/?sub=1&brch=282&sim=1207&cnt=1 http://www.indiastudychannel.com/projects/10-voltage-stabiliser-usingzener-diode.aspx http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_7.html http://www.wisc-online.com/Objects/ViewObject.aspx?ID=SSE7005

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