Faculdade de Talentos Humanos - FACTHUS

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1 1 Capítulo 2 Parte 4 DIODO ZN 2.1 Zener O diodo zener é um dispositivo semicondutor que tem quase as meas características que o diodo normal. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente. No diodo normal, quando ele está polarizado reversamente, se a tensão reversa é muito grande, os portadores minoritários são acelerados pelo campo elétrico até atingirem uma velocidade tão alta que, colidindo com outros átomos, sua energia é suficiente para gerar novos pares elétron-lacuna que, por sua vez, são também acelerados gerando outros pares elétron-lacuna e assim sucessivamente. ste fenômeno, denominado efeito avalanche ou efeito zener, consiste, portanto, num aumento repentino da corrente reversa, dissipando uma potência suficiente para causar ruptura da junção PN, danificando o diodo. A tensão na qual o efeito zener ocorre é chamada tensão de ruptura ou breakdown voltage (V Br ), como mostra a figura 2.1. Figura 2. 1 feito Zener no Diodo Normal O diodo zener é construído com uma área de dissipação de potência suficiente para suportar o efeito avalanche. Assim, a tensão na qual esse efeito ocorre é denominada tensão zener (V z ) e pode variar em função do tamanho e do nível de dopagem da junção PN. Comercialmente, são encontrados diodos zener com V z de 2 até 200V. A figura 2.2 mostra o símbolo do diodo zener e a sua curva característica. Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

2 2 Figura 2. 2 Símbolo e Curva Característica do Diodo Zener Pela curva característica do diodo zener, observa-se que a tensão reversa Vz mantém-se praticamente constante quando a corrente reversa está entre I e I. Sendo assim, dentro desta região o meo pode atuar como um regulador de tensão. A potência dissipada pelo diodo zener dentro desta região é dada por: P V I 2.1 Z Z Z specificações do Diodo Zener As principais especificações do diodo zener são: 1 V T Tensão de Condução na polarização direta (V T 0,7 V); 2 V z - Tensão Zener (dado pelo fabricante); Como V z sofre uma pequena variação em função de I Z, o fabricante fornece um valor obtido por uma corrente de teste I ZT. 3 I Corrente zener máxima (dada pelo fabricante); 4 - I Corrente zener mínima; Caso não seja dado o valor de I, considera-se a seguinte relação: I 0,1. I 5 - P Potência Zener máxima (dada pelo fabricante); Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

3 3 6 z esistência zener (dada pelo fabricante); calculada por: sta resistência reflete a pequena variação de Vz em função de Iz e pode ser Z V I z z 7 TC Coeficiente de temperatura reflete a porcentagem de variação em V z com variação da temperatura. ste coeficiente é dado por: O valor de TC pode assumir tanto valores positivos quanto negativos e eventualmente zeros. 2.2 Diodo Zener como egulador de Tensão Aplicando a lei das tensões no circuito ao lado temos: s I + Z Vz Figura 2. 3 Diodo Zener Polarizado eversamente e quação do circuito Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

4 4 Modelos para o Diodo Zener Modelo Ideal Modelo Linear eta de Carga e Ponto Quiescente (Q) É possível determinar Vz e Iz graficamente, naturalmente os resultados obtidos levam em consideração estas variações, e isto pode ser feito pela reta de carga, traçada a partir dos seguintes pontos: s I + Z Vz 2.2 Ponto de Corte: Substitui-se Iz 0 em 2.2. Vz Ponto de Saturação: Substitui-se Vz 0 em 2.2. Iz s Na figura 2.4, tem-se, assim, a reta de carga traçada sobre a curva característica do diodo zener na região reversa. Desta forma, o ponto quiescente Q do diodo zener pode ser determinado pela intersecção da curva característica com a reta de carga correspondendo aos valores de Vz sobre o diodo zener e a corrente Iz que passa por ele. Figura 2. 4 Curva característica e eta de Carga do Diodo Zener Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

5 5 Supondo-se que a tensão de entrada aumente para um valor 1 ou a resistência diminua para um valor de s1, isto acarretará num deslocamento do ponto quiescente, denominado agora Q1. sta operação faz com que Vz se mantém praticamente constante de acordo com as figuras 2.5 e 2.6. Figura 2. 5 Deslocamento do Ponto quiescente com alteração da tensão de entrada I z Iz 1 s s 1 Figura 2. 6 Deslocamento do ponto quiescente com alteração de s Por isso o diodo zener é chamado de regulador de tensão. Mas, pelas especificações do diodo zener analisadas anteriormente, existem limites máximos e mínimos para a tensão de entrada e para a resistência limitadora s, dentro dos quais o diodo zener mantém a tensão de saída constante e não corre risco de se danificar. Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

6 6 Limites de e s Para se determinar estes limites, duas considerações devem ser feitas: 1) O diodo zener não regula caso a corrente que passa por ele seja menor que a corrente zener mínima. sta condição limita o valor mínimo da tensão de entrada ( m ) e o valor máximo da resistência limitadora ( ), ou seja: I Vz 2.3 m Zmín + 2) O diodo zener se danifica caso a corrente que passa por ele seja maior que a corrente zener máxima. sta condição limita o valor máximo da tensão de entrada ( M ) e o valor mínimo da resistência limitadora de corrente ( ), ou seja: I Vz 2.4 M Zmáx + Observação: Como apenas os valores relativos do diodo zener são dados pelos fabricantes, os valores máximo e mínimo de tensão de entrada são obtidos fixando-se s e os valores máximos e mínimos da resistência limitadora são obtidos fixando-se. Teste para identificar se o diodo zener está conduzindo reversamente: 1 - etirar o diodo zener do circuito. 2 - Verificar a tensão nos terminais do circuito onde estava o diodo zener. 3 - Se a tensão sem o diodo zener for maior que a tensão zener, então o diodo zener conduz ao ser colocado no circuito e a tensão em seus terminais será a tensão zener. Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

7 7 4 - Se a tensão sem o diodo zener for menor que a tensão zener, então o diodo zener não conduzirá não funcionando como regulador de tensão. xemplo: Na figura acima, a tensão Vo sem o diodo zener no circuito é: Como 12V > Vz, então no circuito com o diodo zener: Vo Vz Calculando as correntes no circuito: Circuito egulador de Tensão com Carga As aplicações do circuito regulador de tensão são, principalmente: stabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada constante; stabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada constante; stabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada com ripple; stabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada com ripple. Projeto de eguladores de Tensão Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

8 8 Basicamente, o projeto de um regulador de tensão com carga consiste no cálculo da resistência limitadora da corrente s, conhecendo-se as demais variáveis do circuito, a saber: características da tensão de entrada (constante ou com ripple), características de carga (fixa ou variável), tensão de saída (valor desejado) e especificações do diodo zener. 1 Carga Fixa e Tensão de ntrada Constante A figura 3.7 mostra um circuito regulador de tensão com carga fixa e tensão de entrada constante. s I s I z L I L + V L Vz Figura 2. 7 Circuito egulador com Carga Fixa e Tensão de ntrada Constante O valor do resistor s deve satisfazer as condições dadas pelas especificações do diodo zener. Corrente Zener mínima (I) Como L e Vz são constantes, tem-se um valor mínimo para I s : I I + I L sta condição limita s a um valor máximo SM : ( I + I ) + Vz L Vz I + I L Corrente zener máxima (I) Neste caso, tem-se um valor máximo para I s : I I + I L Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

9 9 ( I + I ) + Vz L Vz I + I L Assim, tem-se que s deve ser: s 2 Carga variável e Tensão de ntrada Constante A figura2.8 mostra um circuito regulador de tensão com carga variável e tensão de entrada constante. s I s I z L I L + V L Vz Figura 2. 8 Circuito egulador com Carga Variável e Tensão de ntrada Constante O valor do resistor s deve satisfazer as condições dadas pela variação desejada para a carga e pelas especificações do diodo zener. Corrente Zener mínima (I) Como L é variável e Vz é constante, esta condição é mais crítica no caso em que L assume seu valor mínimo Lm, ou seja, quando a corrente na carga é máxima I LM e corrente I s é mínima: I I + I LM sta condição limita s a um valor máximo SM : ( I + I ) + Vz LM I Vz + I LM Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

10 10 Corrente zener máxima (I) Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que L assume seu valor máximo LM, ou seja, quando a corrente na carga é mínima I Lm e a corrente I S é máxima I : I I + I Lm ( I + I ) + Vz Lm I Vz + I Lm Assim, tem-se que s deve ser: s 3 Carga Fixa e Tensão de ntrada com ipple A figura 2.9 mostra um circuito regulador de tensão com carga fixa e tensão de entrada com ripple. Vr s I s I z L I L + V L Vz Figura Circuito egulador com Carga fixa e Tensão de ntrada com ripple O valor do resistor s deve satisfazer as condições dadas pela variação exixtente na tensão de entrada (ripple) e pelas especificações do diodo zener. Corrente Zener mínima (I) Como L e Vz são constantes, esta condição é mais crítica no caso em que assume seu valor mínimo m, ou seja, quando a corrente I s é mínima: I I + I L Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

11 11 sta condição limita s a um valor máximo SM : m ( I + I ) + Vz L I m Vz + I L Corrente zener máxima (I) Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que assume seu valor máximo M, ou seja, quando a corrente I S é máxima I : I I + I L M ( I + I ) + Vz L I M Vz + I L Assim, tem-se que s deve ser: s 4 Carga Variável e Tensão de ntrada com ipple A figura 2.10 mostra um circuito regulador de tensão com carga variável e tensão de entrada com ripple. Vr s I s I z L I L + V L Vz Figura Circuito egulador com Carga variável e Tensão de ntrada com ripple O valor do resistor s deve satisfazer as condições dadas pela variação existente na tensão de entrada (ripple), pela variação desejada para a carga e pelas especificações do diodo zener. Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva

12 12 Corrente Zener mínima (I) Como L e são variáveis e Vz é constante, esta condição é mais crítica no caso em que assume seu valor mínimo m e I L seu valor máximo I LM, ou seja, quando a corrente I s é mínima: I I + I LM sta condição limita s a um valor máximo SM : m ( I + I ) + Vz LM I m Vz + I LM Corrente zener máxima (I) Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em que assume seu valor máximo M e I L seu valor mínimo I Lm, ou seja, quando a corrente I S é máxima I : I I + I Lm M ( I + I ) + Vz Lm I M Vz + I Lm Assim, tem-se que s deve ser: s Bibliografia: Marques, A.. B.,Cruz,. C. A., Choueri jr. S. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. ditora Érica Ltda, 1996 Boylestad,. L., Nashelky. L. Dispositivos letrônicos e Teoria de Circuitos. 6ºdição Prentice-Hall do Brasil. Prof. ng. Leandro Aureliano da Silva