Aula. Regulação de tensão: diodo Zener e CI s. Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica de Potência

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1 Aula Regulação de tensão: diodo Zener e CI s Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica de Potência 1

2 Plano de Aula Curva característica do diodo Zener Efeito Zener Regulação de tensão com Diodo Zener Regulação de tensão com CI 2

3 Introdução Regulação de tensão a tensão deve-se manter constante, mesmo com variações nas tensão de entrada e na resistência da carga 3

4 Introdução Os diodos retificadores não são projetados para serem operados com tensão superior à de ruptura Diodo Zener especialmente projetado para ter uma baixa e específica tensão de ruptura Trabalha reversamente polarizado Semelhança com um Z" 4

5 Introdução Nomenclaturas: Diodo regulador de tensão Diodo de tensão constante Diodo de ruptura Diodo de condução reversa 5

6 Introdução Três regiões de operação: condução, bloqueio e ruptura Izt corrente de zener de teste (na qual o fabricante garante Vz) Izm corrente de zener máxima que o mesmo suporta 6

7 Introdução A região 1 é a região de condução, na qual o diodo passa a conduzir para tensão maiores que 0,7 V (aproximadamente), da mesma forma que um diodo convencional Idealmente, o diodo nesta região se comporta como uma chave fechada 1 Ou seja, o diodo zener trabalha como um diodo convencional se polarizado diretamente! 7

8 Introdução A região 2 é a região de bloqueio, na qual há apenas corrente reversa gerada termicamente e pela corrente de fuga pela superfície Idealmente, o diodo nesta região se comporta como uma chave aberta 2 8

9 Introdução A tensão Vz é praticamente constante Datasheets especificam a tensão Vz a uma corrente particular de teste (Izt) Deve-se projetar um resistor limitador para que a corrente não ultrapasse Izm (corrente máxima reversa) 3 Ruptura 9

10 Introdução Corrente mínima no diodo Zener A tensão de Zener, acontece após a tensão de joelho É necessária uma corrente mínima para que Vz seja alcançada Fabricantes estabelecem IZT para uma dada corrente Entretanto, este valor não é o mínimo Normalmente é utilizada a seguinte fórmula empírica: Iz min Pz 10% Izmax 10% Vz 10

11 Introdução Parâmetros: Tolerância 0,05%, 5% e 10% Potência ¼, ½, 1, 5, 10 e 50 W. Tensão 11

12 Introdução Resistência de Zener: Na terceira aproximação do diodo há uma resistência associado a passagem da corrente na região de ruptura chamada de resistência Zener O fato de existir uma resistência Zener, implica que um aumento de corrente reversa prova um aumento na tensão reversa Entretanto, este incremento de tensão é muito pequeno, na ordem de décimos de Volt 12

13 Introdução Efeito Zener Efeito Avalanche Devido a alta concentração de impurezas, o tamanho da camada de depleção é reduzida. Quando polarizado reversamente, surge uma grande densidade de campo elétrico (V/M) na camada dedepleção. Este campo elétrico é grande o suficiente para empurrar os elétrons da banda de valência para a banda de condução Predominante quando a tensão de ruptura < 6V Coexiste com o efeito avalanche para maiores tensões Portadores minoritários são acelerados a velocidades elevadas devido ao campo elétrico aplicado. Esses portadores atingem velocidades grandes o suficiente para deslocarem outros portadores minoritários, causando o efeito avalanche Efeito similar à fissão atômica 13

14 Datasheet 14

15 Datasheet 15

16 Regulador Zener Regulação de tensão 16

17 Regulador Zener 17

18 Regulador Zener O diodo Zener é normalmente conhecido como diodo regulador de tensão porque ele mantém constante a tensão de saída A sua condição de operação normal é a polarizada reversamente, como é mostrado na figura abaixo A condição de operação desse circuito é que a tensão da fonte (Vs) deve ser superior a tensão Zener (Vz) Para análises preliminares e de defeito, pode-se ignorar a resistência Zener (similar a primeira e segunda aproximação do diodo) O diodo operando na sua região de ruptura se comporta idealmente como uma bateria com tensão Vz pode ser substituído eletricamente por uma fonte de tensão DC de valor Vz 18

19 Regulador Zener 6.1) O diodo Zener do circuito abaixo possui uma tensão Zener de 10V. Qual éa corrente mínima emáxima que passa pelo diodo Zener? 19

20 Regulador Zener O diodo Zener só irá funcionar adequadamente caso ele opere na sua região de ruptura Como garantir que o diodo está trabalhando nessa região? R: deve-se analisar a tensão de Thévenin do ponto de vista do diodo A tensão de Thévenin vista pelo diodo é a tensão nos seus terminais vista quando o diodo Zener é removido do circuito A tensão de Thévenin deve ser superior a tensão do Zener para garantir que o diodo Zener está operando na região de ruptura 20

21 Regulador Zener 6.2) O diodo do circuito abaixo está na região de ruptura? Qual é a corrente na carga e no diodo? 21

22 Regulador Zener O fator de degradação mostra o quanto da potência nominal deve ser reduzida a potência de dissipação do dispositivo 22

23 Regulador Zener O Zenner também pode ser utilizado para compatibilizar as tensões dos dispositivos No exemplo abaixo, é apresentado um exemplo de como utilizar um capacitor de 6V em um circuito com 12V utilizando um Zener como regulador de tensão 23

24 Regulador Zener Com o uso de diodos reguladores e diodos Zeners, é possível obter vários níveis de tensão estabilizados a partir de uma única fonte de tensão 24

25 CI regulador de tensão 25

26 CI regulador de tensão 26

27 CI regulador de tensão 27

28 CI regulador de tensão Datasheet 28

29 CI regulador de tensão Datasheet 29

30 Exercícios 6.3) Calcule a corrente Iz que passa pelo diodo Zener quando a carga (Rload) for de: a. 1K Ohms b. 910 Ohms c. 680 Ohms Qual a relação entre a corrente de carga e a corrente no zener? 30

31 Exercícios 6.4) Em um motor de corrente contínua alimentado por uma bateria, monte o circuito elétrico equivalente da figura abaixo e calcule a potência dissipada no diodo Zener (Vz = 5V) caso a corrente drenada pelo motor seja: 20 ma 50 ma 90 ma 31

32 Exercícios 6.5) Calcule a corrente no diodo Zener quando a tensão da fonte do circuito abaixo for de: a) 25V b) 20V c) 10V d) 5V Você percebeu alguma relação entre a corrente de carga e a corrente no zener? Se sim, comente a respeito. 32

33 Exercícios 6.6) Determine qualitativamente o que acontece com as correntes no resistor Rserie e no diodo quando a carga se reduzir (ou seja, a resistência aumentar) no circuito abaixo. Considere que o diodo zener é ideal a) IRserie aumenta? Diminui? Permanece constante? b) IZener aumenta? Diminui? Permanece constante? 33

34 Exercícios 6.7) A partir de qual valor de resistência de carga o circuito abaixo perde sua capacidade de regulação? A regulação é perdida para valores maiores ou menores que este valor limite? 34

35 Exercícios 6.8) Os diodos Zener são úteis para construir circuitos reguladores de tensão. No entanto, algumas vezes é necessário improvisar quando não há a disposição diodos Zener. No circuito do exercício 4, deseja-se que a tensão de saída (na carga) seja regulada em 3,5V. Explique (mostrando o circuito elétrico) como diodos normais de Si podem ser utilizados para substituir o diodo Zener. Suponha que a tensão na fonte carga seja maior que 3,5V. e que a tensão de Thévenin na 35

36 Exercícios 6.9) Quais as correntes máxima e mínima de um diodo zener de 5V/5W? 36

37 Conclusões O diodo Zener é operado reversamente polarizado Um regulador de tensão pode ser projetado utilizando um diodo Zener para manter uma tensão DC constante na carga A tensão estabilizada de saída de um regulador de tensão Zener deve ser a mesma que sua tensão de ruptura Para que o diodo Zener trabalhe corretamente, a tensão de Thévenin entre seus terminais deve ser superior a tensão de Zener (Vz) 37

38 Referências 1. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica - Vol. 1 e 2. 4ª ed. São Paulo: Pearson 2. BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Pearson. 696 p. 38