EXPERIÊNCIA N 03

DIODO ZENER E REGULADORES DE TENSÃO

Fundação Universidade Federal de RondôniaNúcleo de Tecnologia

Departamento de Engenharia Elétrica - DEEDisciplina de Eletrônica I

I. OBJETIVOS

• Levantar a curva característica de um diodo zener.• Estudar o funcionamento de reguladores de tensão a

diodo zener e a transistor.• Entender o funcionamento dos CIs reguladores de tensão

das famílias 7800 e 7900 e levantar suas características.• Aprender a utilizar um CI regulador de tensão ajustávelLM317.

• Criar uma fonte de tensão AC/DC.

II. INTRODUÇÃO

O diodo zener é um dispositivo semicondutor que temquase as mesmas características que o diodo normal. Adiferença está na forma como ele se comporta quando estápolarizado reversamente.

No diodo normal, quando ele está polarizado reversa-mente, se a tensão reversa é muito grande, os portadoresminoritários são acelerados pelo campo elétrico até atingiremuma velocidade tão alta que, colidindo com outros átomos,sua energia é suficiente para gerar novos pares elétron-lacunaque, por sua vez, são também acelerados gerando outros pareselétron-lacuna e assim sucessivamente.

Este fenômeno, denominado efeito avalanche ou efeitozener, consiste, portanto, num aumento repentino da correntereversa, dissipando uma potência suficiente para causar aruptura da junção PN, danificando o diodo. A tensão naqual o efeito zener ocorre é chamada tensão de ruptura oubreakdown voltage (VBr), como mostra a figura 1.

III. REGULADOR DE TENSÃO A ZENER

As aplicações do circuito regulador de tensão a zener são,principalmente:

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa apartir de uma tensão de entrada constante.

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variávela partir de uma tensão de entrada constante.

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa apartir de uma tensão de entrada com ripple.

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variávela partir de uma tensão de entrada com ripple.

As duas primeiras aplicações visam, principalmente, a es-tabilização num valor menor da tensão de uma bateria ou deuma fonte de alimentação já estabilizada, e as duas últimas

Figura 1. Curva característica do diodo zener.

aplicações visam, principalmente, a estabilização de fontes dealimentação com ripple, como aquela projetada com filtro decapacitor em um retificador de onda.

Ainda, pelas características da última aplicação acima,pode-se afirmar que se trata do caso mais geral, pois tantoa tensão de entrada quanto a carga são variáveis.

Assim, faz-se necessária uma análise mais detalhada docircuito regulador de tensão quando neste é ligada uma carga.

Basicamente, o projeto de um regulador de tensão com cargaconsiste no cálculo da resistência limitadora RS , conhecendo-se as demais variáveis do circuito, a saber: características datensão de entrada (constante ou com ripple), característicasda carga (fixa ou variável), tensão de saída (valor desejado) eespecificações do diodo zener.

A. Carga variável e tensão de entrada com ripple

A figura 7 mostra um circuito regulador de tensão com cargavariável e tensão de entrada com ripple.

O valor do resistor RS deve satisfazer as condições dadaspela variação existente na tensão de entrada (ripple), pelavariação desejada para a carga e pelas especificações dodiodo zener.

Figura 2. Circuito regulador com carga fixa e tensão de entrada com ripple.

• Corrente zener mínima IZm

Como RL e VL são variáveis e VZ é constante, esta condiçãoé mais crítica no caso em que VE assume seu valor mínimoVEm e IRL seu valor máximo IRLM , ou seja, quando acorrente IS é mínima:

ISm = IZm + IRLM

Esta condição limita RS a um valor máximo RSM :

VEm = RSM .(IZm + IRLM ) + VZ ⇒ RSM =VEM − VZIZm + IRLM

• Corrente zener máxima IZM

Neste caso, esta condição é mais crítica no caso em queVE assume seu valor máximo VEM e IRL seu valor mínimoIRLm, ou seja, quando a corrente IS é máxima:

ISM = IZM + IRLm

Porém, esta condição limita RS a uma valor mínimo RSm:

VEM = RSm.(IZM + IRLm) + VZ ⇒ RSm =VEM − VZIZM + IRLm

Assim, tem-se que RS deve ser:

RSm ≤ RS ≤ RSM

IV. CIS REGULADORES DE TENSÃO

Há uma classe de CIs disponíveis bastante utilizados comoreguladores de tensão. Os CIs reguladores contêm os circuitosde fonte de referência, amplificador comparador, dispositivode controle, e proteção contra sobrecarga, tudo em um únicoencapsulamento. Embora a estrutura interna dos CIs sejaum pouco diferente da descrita para os circuitos reguladoresdiscretos, a operação é exatamente a mesma. As unidadesde CI proporcionam regulação para uma tensão positiva fixa,tensão negativa fixa ou tensão ajustável.

Uma fonte de tensão pode ser montada, utilizando-se umatransformador conectado à rede CA, para que a tensão sejareduzida ao nível de amplitude desejado, retificando-a depoisque sai do transformador e filtrando com um capacitor e umcircuito RC, e finalmente, regulando a tensão CC por meio deum CI regulador. Os reguladores podem ser escolhidos parauma operação com correntes de carga de centenas de mili-ampères a dezenas de ampères, correspondendo a potênciasde saída que variam de miliwatts a dezenas de watts.

A. Regulador de tensão de três terminais

O regulador com tensão de saída fixa é alimentado por umatensão CC não-regulada, Vi, aplicada a um terminal, com umsegundo terminal conectado em GND e um terceiro terminalfornece uma tensão CC regulada, VO. Para um reguladorespecífico, as especificações do dispositivo indicam a faixana qual a tensão de entrada pode variar sem que a saídaseja alterada, considerando, ainda, uma faixa de corrente decarga. As especificações listam também o quanto varia atensão de saída para determinada variação na corrente de carga(regulação de carga) ou na tensão de entrada (regulação delinha).

B. Reguladores de tensão positiva fixa

A série 78 de reguladores fornece tensões reguladas fixasde 5 até 24V . A figura 3 mostra como um CI dessa série,um 7805, é conectado para regular a tensão em +5VCC . Umatensão de entrada não-regulada Vi é filtrada pelo capacitor C1 ealimenta o CI no terminal IN. O terminal OUT do CI fornece+5V regulada, que é filtrada pelo capacitor C2 (empregadopara etenuar o ruído de alta frequência). O terceiro terminaldo CI é conectado em GND. Mesmo variando a tensão deentrada e a carga dentro de uma faixa permitida, a tensão desaída permanece constante, ou com pequenas variações, dentrode limites especificados. Esses limites são fornecidos pelasfolhas de especificações do fabricante. A tabela I apresentauma lista de CIs reguladores de tensões positivas.

Figura 3. Conexão de um regulador de tensão 7805.

Código do CI Tensão de saída (V) Vi mínimo (V)7805 +5 7.37806 +6 8.37808 +8 10.57810 +10 12.57812 +12 14.67815 +15 17.77818 +18 21.07824 +24 27.1

Tabela IReguladores de tensão positiva da série 7800.

A conexão de um 7805 em uma fonte de tensão completaé mostrada no esquema da figura 4. A tensão CA da rede(120Vrms) é reduzida para 18Vrms, em cada enrolamento dotransformador com derivação central. Um retificador de ondacompleta e um filtro (capacitor) produzem uma tensão CCnão-regulada, representada com uma amplitude de aproxima-damente 22V , com uma ondulação CA de poucos volts como

entrada para o regulador de tensão. Essa tensão é apresentadaao CI 7805, que fornece em sua saída +5VCC regulada.

Figura 4. Fonte de tensão de +5V.

C. Especificações de um regulador de tensão positiva

A folha de especificações de reguladores de tensão normal-mente apresenta os dados mostrados na tabela II, para o grupoda série 7800. Há algumas considerações a se fazer a respeitodos parâmetros mais importantes.

Parâmetro Mín. Típ. Máx. Unid.Tensão de saída 11.5 12 12.5 V

Regulação de entrada 3 120 mVRejeição de ondulação 55 71 dB

Regulação de saída 4 100 mVResistência de saída 0.018 Ω

Tensão de desopereação 2 VCorrente de saída em curto 350 mACorrente de pico na saída 2.2 A

Tensão de entrada 40 VDissipação contínua total 27.1 WTemperatura de operação -65 150 C

Tabela IIFolha de dados para o CI 7812.

Tensão de saída: As especificações para o 7812 mostramque a tensão de saída é, normalmente, +12V , mas tem comolimite inferior 11, 5V e limite superior de 12, 5V .

Regulação de saída: A regulagem de tensão na saídaé normalmente de 4mV , até um máximo de 100mV (emcorrentes de saída de 0, 25A até 0, 75A). Essa informaçãoespecifica que a tensão de saída pode variar apenas 4mV datensão nominal de 12VCC .

Corrente de saída em curto-circuito: A corrente de saídaé limitada em, normalmente, 0.35A, se a saída entrar emcurto (presumivelmente por um acidente ou por falha de outrocomponente).

Corrente de pico na saída: A corrente máxima nominalpara CIs dessa série é 1.5A; entretanto, a corrente comum depico na saída que pode ser drenada por uma carga é 2.2A.Isso mostra que, embora o fabricante afirme que a capacidadedo CI é fornecer 1.5A, existe a possibilidade de drenar umpouco mais de corrente (possivelmente por um breve períodode tempo).

Tensão de desoperação: A tensão de desexcitação, geral-mente 2V , é o valor mínimo de tensão através dos terminaisentrada-saída para que o CI opere como um regulador. Se atensão de entrada cai muito lentamente ou a saída se elevade modo que uma tensão de 2V , no mínimo, não é mantidaentre entrada e saída do CI, a regulação não é mais garantida.

Por isso, a tensão de entrada deve ser mantida em um valorsuficiente para garantir uma diferença de tensão entre entradae saída superior à tensão de desoperação.

D. Reguladores de tensão negativa fixa

A série de CIs 7900 é formada por reguladores de tensãonegativa, semelhantes aos da série 7800. A tabela III apresentaa lista de CIs reguladores de tensão negativa. Como mostrado,os CIs reguladores atendem a uma faixa de tensões negativas,fornecendo a tensão esperada na saída se o valor na entradaestiver abaixo de uma valor mínimo espeficado. Por exemplo,o 7912 fornece uma saída de −12V se a tensão na entrada doCI for mais negativa do que −14.6V .

Código do CI Tensão de saída (V) Vi mínimo (V)7905 -5 -7.37906 -6 -8.47908 -8 -10.57909 -9 -11.57912 -12 -14.67915 -15 -17.77918 -18 -20.87924 -24 -27.1

Tabela IIIReguladores de tensão positiva da série 7900.

E. Reguladores de tensão ajustável

Há reguladores de tensão que permitem ao usuário ajustara tensão de saída para um valor desejado. O LM317, porexemplo, pode ser operado com a tensão de saída reguladaem um valor entre 1.2V e 37V . A figura 5 mostra como atensão de saída regulada de um LM317 pode ser ajustada.

Figura 5. Conexão de um regulador de tensão ajustável LM317.

Os resistores R1 e R2 determinam o valor da tensão emqualquer nível dentro da faixa especificada (1.2V até 37V ). Atensão de saída desejada pode ser calculada utilizando-se:

VO = Vref

(1 +

R2

R1

)+ Iajustavel.R2 (1)

Onde normalmente:

Vref = 1.25V e Iajustavel = 100µA

V. MATERIAIS UTILIZADOS

• Osciloscópio Minipa MO - 1262;• Multímetro digital ICEL MD - 6601;• Gerador de funções ICEL GV - 2002;• Transformador;• Diodo 1N4007(2);• Diodos Zener de 4.7V (1), 5.6V (1), 6.2V (1), 6.8V (1),

8.2V (1), 9.1V (1);• Resistores;• Capacitores;• CIs LM7805(1), LM7905(1), LM317(1);• Protoboard;• Cabo tomada jacaré;• Cabo banana jacaré.

VI. PARTE EXPERIMENTAL

A. Primeiro passo

Curva característica do diodo zener:a) Monte a configuração da figura 6 no protoboard.

Figura 6. Primeiro passo item a.

b) No gerador de tensão utilize uma onda senoidal de tensãode pico maior que VZ (VP > VZ) e uma frequência de1kHz.

Diodo VZ IZM IZm

C4V 7 4.7V 76mA 7.6mAC5V 6 5.6V 59mA 5.9mAC6V 2 6.2V 54mA 5.4mAC6V 8 6.8V 49mA 4.9mAC8V 2 8.2V 40mA 4.0mAC9V 1 9.1V 36mA 3.6mA

Tabela IVDIODOS ZENER.

c) Para D1 escolha um dos diodos zener da tabela IV. Ovalor de RS e a tensão VP determinará o pico de correntepassará pelo diodo, então especifique um valor de RS

para que a corrente que passará no diodo zener escolhidofique entre os valores mínimo e máximo especificados natabela IV.

d) Conecte os dois canais do osciloscópio conforme a figurae selecione o modo X-Y. Inverta o canal CH-2 (pressioneo botão INVERT). Deixe os dois canais em GND ecentralize o ponto luminoso no centro da tela. Depoisdisso, deixe o acoplamento em DC e desenhe a forma deonda observada.

B. Segundo passo

Fonte de tensão regulada a zener:a) Utilizando dos conhecimentos já adquiridos na prática

anterior, monte um retificador de onda completa componte de diodos e associe-o a um regulador de tensãobaseado em zener. Estipule um ripple de 1V . O esquemaencontra-se na figura 7.

Figura 7. Retificador com regulador a zener.

b) Estipule a carga (RL) como 470Ω e o potenciômetrocomo 1kΩ. Para D1 utilize qualquer um dos diodos databela IV. Calcule o valor de RS com base nas fórmulasapresentadas na introdução.

Diodo :

RS : Ω

c) Utilizando o osciloscópio meça a tensão em C1 como canal 1 e a tensão em RL com o canal 2. Varie opotenciômetro e faça uma análise notando a diferençaentre a saída de um retificador com filtro capacitivo puroe a saída com um regulador de tensão a zener.

d) Com o multímetro, meça a tensão na carga RL, comparecom o valor teórico do diodo zener e meça o erro. Quaisos motivos desse erro?

VRL = V

Erro = %

C. Terceiro passo

Regulador de tensão LM7805:a) Utilizando o circuito retificador anterior, monte o circuito

da figura 8. Note que só foram substituidos o zener e seuresistor limitador por um LM7805.

b) Utilizando o osciloscópio meça a tensão em C1 com ocanal 1 e a tensão em RL com o canal 2. Varie o poten-ciômetro e faça uma análise comparando o regulador azener e o a CI 7800. Qual o mais simples de implementar?Qual o mais barato? Quais as limitações de cada circuito?

Figura 8. Retificador com CI 7805.

c) Meça a tensão na carga RL com o multímetro e comparecom o valor teórico do LM7805.

VRL = V

Erro = %

D. Quarto passo

Características do reguladore LM7912:

a) Monte o circuito da figura 9. Adote R1 = 1kΩ. Apinagem dos CIs 7800 e 7900 é a mesma.

Figura 9. Características do regulador CI LM7912.

b) Varie a tensão de entrada e obtenha a tensão regulada, Vi

mínimo e tensão de desoperação do regulador.

Tensão regulada = V

Vi mínimo = V

Desoperação = V

E. Quinto passoRegulador de tensão ajustável LM317:

a) Monte o circuito da figura 10. Adote R1 = 220Ω e V 1 =18V . O valor de R2 deverá ser obtido através da equação1 com base nos valores de regulação da tabela V.

Figura 10. Regulador de tensão variável LM317.

b) Meça a tensão na carga para cada caso com o multímetro,compare com o valor calculado e determine o erro.

Tensão Regulada Tensão Medida Erro(%)5V10V15V

Tabela VQUINTO PASSO ITEM A.

REFERÊNCIAS

[1] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. “Microeletrônica”, 5aedição. SãoPaulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

[2] MARQUES, Angelo Eduardo B.; CHOUERI JÚNIOR, Salomão; CRUZ,Eduardo Cesar Alves. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores,11aedição. São Paulo: Érica, 2007.

[3] BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. “Dispositivos Eletrônicose Teoria de Circuitos”, 6aedição. Rio de Janeiro: LTC, 1998.

[4] Instituto Monitor. “Eletrônica Aplicada”, 8a edição. São Paulo, Dezembrode 2006.