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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
CAMPUS SWIFT
Lucas Gonçalves GouveiaB1515A-9
Ronaldo RibeiroB09FFF-3
Saymom RibeiroB17403-0
Márcus AlvesB031HA-1
Eletrônica Aplicada
Relatório experimentalDiodos Zener
Campinas, 2014
Relatório Técnico apresentado
como complemento de trabalho
experimental realizado no
laboratório de Eletrônica Aplicada,
do Curso de Engenharia
Mecatrônica, na Universidade
Paulista UNIP.
Campinas, 2014
Capítulo 1 Sumário
INTRODUÇÃO.............................................................................................................11.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................21.1 Diodo Zener.............................................................................................................21.2 Diferenciação entre um diodo normal e o Diodo Zener..........................................21.3 Diodo Zener – Funcionamento................................................................................52.0 ESTABILIZAÇÃO DE TENSÃO..........................................................................83.0 PROCESSO EXPERIMENTAL...........................................................................103.1 Fonte AC:..............................................................................................................103.2 Fonte DC:..............................................................................................................104.0 RESULTADOS.....................................................................................................114.1 Para fonte AC........................................................................................................114.2 Para fonte DC........................................................................................................135.0 DISCUSSÃO:........................................................................................................146.0 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.
1
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
3
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.
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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
5
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,
8
conforme 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
não-carregamento 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 1kΩ 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 1kΩ 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 IL, 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
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 Vd Vout IL (mA) Vin - AC
1K
0 0,93 0 0
1,43 1,79 1,79 2
3,21 2,3 2,3 4
12
1000 3300 4700 100000
2
4
6
8
10
12
1413
4
2.8
1.3
Resistência versus Corrente
IL (mA)
Resistência em Ohm (Ω)
Corr
ente
em
mA
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
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
13
0 1.43 3.21 5.27 7.39 9.2 11.2 13.2 15.7 17.4 19.60
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0.93
1.79
2.32.59
2.762.89 3 3.08 3.14 3.2 3.22
Tensão de entrada vs Tensão de saída
Vout
Tensão de entrada (V)
Tens
ão d
e sa
ída
(V)
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.
6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://amrita.vlab.co.in/?sub=1&brch=282&sim=1207&cnt=1http://www.indiastudychannel.com/projects/10-voltage-stabiliser-using-zener-diode.aspxhttp://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_7.htmlhttp://www.wisc-online.com/Objects/ViewObject.aspx?ID=SSE7005
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