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142 Eletrônica 5-1 Diodo Zener Os diodos de pequeno sinal e retificadores nunca são operados intencionalmente na região de ruptura porque isso os danifica. Um diodo Zener é diferente. Ele é um diodo de silício que o fabricante otimizou para operar na região de ruptura. O diodo Zener é o elemento principal dos reguladores de tensão, circuitos que mantêm a tensão na carga quase constante, independentemente da alta variação na tensão de linha e na resistência de carga. Gráfico I-V A Figura 5-la mostra o símbolo esquemático de um diodo Zener; a Figura 5-lb é um símbolo alternativo. Em qualquer um desses símbolos, a linha lembra a letra z, de Zener. Variando o nível de dopagem de um diodo de silício, um fabricante pode produzir diodos Zener com tensões de ruptura de cerca de 2 V a valores acima de 1000 V. Esses diodos podem operar em qualquer uma das três regiões: direta, de fuga e de ruptura. A Figura 5-lc mostra o gráfico I-V de um diodo Zener. Na região direta, ele começa a conduzir próximo de 0,7 V, exatamente como um diodo de silício co- mum. Na região de fuga (entre zero e a ruptura), a corrente nele é baixa e rever- sa. Em um diodo Zener, a ruptura apresenta a curva do joelho muito acentuada, seguida de uma linha quase vertical na corrente. Observe que a tensão é quase constante, aproximadamente igual a VZ sobre a maior parte da região de ruptura. As folhas de dados geralmente especificam o valor de VZ para uma corrente par- ticular de teste IZT. A Figura 5-1c mostra também a corrente reversa máxima IZM. Enquanto a cor- rente reversa for menor que IZM, o diodo operará dentro de uma faixa segura. Se a corrente for maior que IZM, o diodo será danificado. Para prevenir uma corrente reversa máxima, um resistor de limitação deve ser usado (estudado posteriormente). Resistência Zener Na terceira aproximação de um diodo de silício, a tensão direta no diodo é igual à tensão de joelho mais a queda de tensão adicional na resistência de corpo. É ÚTIL SABER Como nos diodos convencionais, o fabricante faz uma marca com uma faixa num extremo do diodo Zener para a identificação do terminal do catodo. V I (c)(b)(a) –VZ –IZ T –IZ M (d) DO-35 Encapsulamento de vidro A FAIXA INDICA O CATODO DO-41 Encapsulamento de vidro A FAIXA INDICA O CATODO SOD-123 Figura 5-1 O diodo Zener. (a) Símbolo esquemático; (b) símbolo alternativo; (c) gráfico da tensão versus corrente; (d) diodos Zener típicos. Fotos © de Brian Moeskau/Brien Moeskau Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 143 De modo similar, na região de ruptura a tensão reversa no diodo é igual à ten- são de ruptura mais a queda de tensão adicional da resistência de corpo. Na região reversa, a resistência de corpo é referida como resistência Zener. Essa resistência é igual ao inverso da inclinação na região de ruptura. Em outras palavras, quanto mais vertical a região de ruptura menor a resistência Zener. Na Figura 5-1c, a resistência Zener significa que um aumento na corrente re- versa produz um ligeiro aumento na tensão reversa. O aumento na tensão é muito pequeno, tipicamente de apenas décimos de volt. Esse ligeiro aumento pode ser importante para o projetista, mas não para o técnico de manutenção e para as aná- lises preliminares. A não ser quando indicado, em nossos estudos desprezaremos a resistência Zener. A Figura 5-1(d) mostra alguns diodos típicos. Regulador Zener O diodo Zener às vezes é chamado também de diodo regulador de tensão, porque ele mantém uma tensão na saída constante, embora a corrente nele varie. Para uma operação normal, você deve polarizar o diodo Zener reversamente, conforme mostra a Figura 5-2a. Além disso, para obter uma operação na ruptura, a tensão da fonte VS deve ser maior que a tensão de ruptura Zener VZ. Um resistor RS em série é sempre usado para limitar a corrente de Zener num valor abaixo de sua corrente máxima nominal. Caso contrário, o diodo Zener queimaria como qualquer outro dispositivo submetido a uma dissipação de potência muito alta. A Figura 5-2b mostra um modo alternativo de desenhar o circuito com os pontos do terra. Se um circuito é aterrado, você pode medir as tensões em relação ao terra. Por exemplo, suponha que você deseje saber a tensão no resistor em série da Figura 5-2b. Aqui está um método para saber o valor da tensão quando tiver um circuito montado. Primeiro, meça a tensão do lado esquerdo de Rs em relação ao terra. Segundo, meça a tensão do lado direito de Rs para o terra. Terceiro, subtraia esses dois valores de tensão para obter a tensão em Rs. Se você tiver um voltímetro analógico ou um multímetro digital, poderá conectá-lo diretamente ao resistor série. A Figura 5-2c mostra a saída de uma fonte de alimentação conectada a um resistor em série e a um diodo Zener. Esse circuito é usado quando se quer uma tensão CC na saída menor que a saída da fonte de alimentação. Um circuito como esse é chamado de regulador de tensão Zener, ou simplesmente regulador Zener. Aplicando novamente a Lei de Ohm Na Figura 5-2, a tensão no resistor série ou resistor de limitação de corrente é igual à diferença entre a tensão da fonte e a tensão no Zener. Logo, a corrente através do resistor é: I V V RS S Z S = − (5-1) (c)(b)(a) RS + – VS – + RS VZVS – + VZ – + – + VS RS VZ – + PONTE RETIFICADORA COM FILTRO DE ENTRADA COM CAPACITOR Figura 5-2 O regulador Zener. (a) Circuito básico; (b) o mesmo circuito com o terra; (c) uma fonte de alimentação alimentando o regulador. 144 Eletrônica Uma vez obtido o valor da corrente no resistor em série, você também obterá o valor da corrente no Zener. Isto ocorre porque a Figura 5-2 é um circuito em série. Observe que IS deve ser menor que IZM. Diodo Zener ideal Para um procedimento de verificação de defeitos e uma análise preliminar, pode- mos aproximar a região de ruptura como uma reta. Portanto, a tensão é constante mesmo que a corrente varie, o que equivale a desprezar a resistência do Zener. A Figura 5-3 mostra a aproximação ideal de um diodo Zener. Isso significa que o diodo Zener está operando na região de ruptura idealmente como uma bateria. Num circuito, isso significa que você pode substituir mentalmente um diodo Zener por uma fonte de tensão de VZ, desde que o diodo opere na região de ruptura. = VZ – + Figura 5-3 Aproximação ideal de um diodo Zener. Exemplo 5-1 Suponha que o diodo Zener da Figura 5-4a tenha uma tensão de ruptura de 10 V. Quais são os valores máximo e mínimo da corrente no Zener? VoutVVVinVV 820 Ω 20 a 40 V – + – + VinVV 820 Ω 10 V 20 a 40 V – + (b)(a) RS – + RS Figura 5-4 Exemplo. SOLUÇÃO A tensão aplicada pode variar de 20 V a 40 V. Idealmente, um diodo Zener age como uma bateria, conforme mostra a Figura 5-4b. Portan- to, a tensão na saída é de 10 V para qualquer tensão entre 20 V e 40 V. A corrente mínima ocorre quando a tensão na fonte é mínima. Visualize 20 V do lado esquerdo do resistor e 10 V do lado direito. Logo, você pode ver que a tensão no resistor é de 20 V –10 V, ou seja, 10 V. Finalmente, usa- mos a lei de Ohm: I S = = 10 12 2V 820 mA Ω , A corrente máxima ocorre quando a tensão na fonte é de 40V. Nesse caso, a tensão no resistor é de 30 V, que nos dá uma corrente de I S = = 30 36 6V 820 mA Ω , Em um regulador como o da Figura 5.4a, a tensão de saída é mantida constante em 10 V, independentemente da variação da tensão da fonte de 20 V a 40 V. A tensão maior da fonte produz mais corrente no Zener, mas a tensão não se mantém estável em 10 V. (Se a resistência Zener for incluída, a tensão na saída aumentará ligeiramente quando a tensão na fonte aumentar.) PROBLEMA PRÁTICO 5-1 Usando a Figura 5-4, qual é o valor da cor- rente Zener IS se Vin = 30 V? Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 145 5-2 Regulador Zener com carga A Figura 5-5a mostra um regulador Zener com carga e a Figura 5-5b mostra o mesmo circuito com o terra. O diodo Zener opera na regiãode ruptura e mantém a tensão na carga constante. Mesmo que haja uma variação na tensão de entrada ou na resistência da carga, a tensão na carga permanecerá constante e igual à tensão Zener. Operação na ruptura Como você pode garantir que o diodo Zener da Figura 5-5 está operando na região de ruptura? Por causa do divisor de tensão, a tensão de Thevenin para o diodo é: V R R R VTH L S L S= + (5-2) Essa é a tensão que existe quando o diodo Zener é desconectado do circuito. Essa tensão de Thevenin deve ser maior que a tensão Zener; caso contrário, não ocor- rerá a ruptura. Corrente em série A não ser quando indicado, em todas as discussões futuras consideraremos que o diodo Zener está operando na região de ruptura. Na Figura 5-5, a corrente no resistor em série é dada por: I V V RS S Z S = − (5-3) Essa é a lei de Ohm aplicada no resistor de limitação de corrente. Ela é a mesma, haja ou não um resistor de carga. Em outras palavras, se você desconectar o resis- tor de carga, a corrente no resistor em série ainda será igual à tensão no resistor dividida pela resistência. Corrente na carga Idealmente, a tensão na carga é igual à tensão no Zener, porque a resistência de carga está em paralelo com o diodo Zener. Em forma de equação temos: VL = VZ (5-4) Isso nos permite usar a lei de Ohm para calcular a corrente na carga: I V RL L L = (5-5) VLVS VZ RS RL – + – + – + (a) (b) RL RS + – VS VZ – + FONTE DE ALIMENTAÇÃO Figura 5-5 O regulador Zener com carga. (a) Circuito básico; (b) circuito prático. 146 Eletrônica Corrente no Zener Pela lei de Kirchhoff para corrente: IS = IZ + IL O diodo Zener e o resistor de carga estão em paralelo. A soma de suas correntes é igual à corrente total, que é a mesma corrente no resistor em série. Podemos rearranjar a equação anterior para obter esta importante fórmula: IZ = IS – IL (5.6) Ela informa que a corrente no Zener já não é mais igual à corrente no resistor em série, como no caso do regulador Zener sem carga. Por causa do resistor em série, a corrente no Zener agora é igual à corrente no resistor em série menos a corrente na carga. A Tabela 5-1 resume os passos para a análise de um regulador Zener com carga. Comece com a corrente no resistor em série, em seguida com a tensão na carga, depois a corrente na carga e, finalmente, com a corrente no Zener. Efeito Zener Quando a tensão de ruptura for maior que 6 V, a ruptura se dará por efeito ava- lanche, estudado no Capítulo 2. A ideia básica é que os portadores minoritários são acelerados com velocidades altas o suficiente para deslocar outros portadores minoritários, produzindo uma corrente ou efeito avalanche que resulta em uma corrente reversa alta. O efeito Zener é diferente. Quando um diodo foi dopado fortemente, a cama- da de depleção torna-se muito estreita. Por isso, o campo elétrico na camada de depleção (tensão dividida por distância) é muito intenso. Quando a intensidade do campo for de aproximadamente 300.000 V/cm, o campo será suficiente para empurrar os elétrons externos de suas órbitas de valência. A criação de elétrons livres, deste modo, é chamada de efeito Zener (também conhecido como emissão de campo intenso). Isso é distintamente diferente do efeito de avalanche, que de- pende da alta velocidade dos portadores minoritários para deslocar os elétrons de valência. Quando a tensão de ruptura é abaixo de 4 V, ocorre apenas o efeito Zener. Quando ela está acima de 6 V ocorre apenas o efeito avalanche. Quando ela for entre 4 V e 6 V, os dois efeitos estarão presentes. O efeito Zener foi descoberto antes do efeito avalanche, portanto, todos os diodos usados na região de ruptura são conhecidos como diodos Zener. Embo- ra você possa ocasionalmente ouvir o termo diodo de avalanche, o nome diodo Zener é, em geral, usado para todos os diodos de ruptura. Tabela 5-1 Analisando um regulador Zener com carga Processo Comentário Passo 1 Calcule a corrente no resistor em série Equação (5-3) Aplique a lei de Ohm em RS Passo 2 Calcule a tensão na carga Equação (5-4) A tensão na carga é a mesma tensão no Zener Passo 3 Calcule a corrente na carga Equação (5-5) Aplique a lei de Ohm em RL Passo 4 Calcule a corrente no Zener Equação (5-6) Aplique a lei da corrente no diodo Zener É ÚTIL SABER Para uma tensão Zener entre 3 V e 8 V aproximadamente, o coeficiente de temperatura é também fortemente afetado pela corrente reversa no diodo. O coeficiente de temperatura torna-se mais positivo com o aumento da corrente. Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 147 Coeficientes de temperatura Quando a temperatura ambiente muda, a tensão Zener muda ligeiramente. Nas folhas de dados, o efeito da temperatura é fornecido pelo coeficiente de temperatura, que é definido como a variação na tensão de ruptura por grau Celsius. O coeficiente de temperatura é negativo para tensões abaixo de 4 V (efeito Zener). Por exemplo, um diodo Zener com uma tensão de ruptura de 3,9 V pode ter um coeficiente de temperatura de –1,4 mV/ºC. Se a temperatura aumentar 1ºC, a tensão de ruptura diminuirá 1,4 mV. Por outro lado, o coeficiente de temperatura é positivo para tensões de rup- tura acima de 6 V (efeito avalanche). Por exemplo, um diodo Zener com uma tensão de ruptura de 6,2 V pode ter um coeficiente de temperatura de 2 mV/ºC. Se a temperatura aumentar 1ºC, a tensão de ruptura aumentará 2 mV. Entre 4 V e 6 V, o coeficiente de temperatura muda de negativo para po- sitivo. Em outras palavras, existem diodos com tensões de ruptura entre 4 V e 6 V que têm coeficientes de temperatura zero. Isso é importante em algumas aplicações quando se deseja uma tensão Zener estável sobre uma larga faixa de variação na temperatura. É ÚTIL SABER Em aplicações que requerem uma tensão de referência muito estável, um diodo Zener é conectado em série com um ou mais diodos semicondutores cujas quedas de tensão variam com a temperatura em sentidos opostos das variações em VZ. O resultado é que VZ permanece muito estável mesmo que a temperatura possa variar em uma faixa maior. Exemplo 5-2 O diodo Zener está operando na região de ruptura na Figura 5-6a? – + – + 18 V 10 V 1 kΩ 270 Ω – + 18 V – + 1 kΩ10 V 270 Ω (a) (b) FONTE DE ALIMENTAÇÃOTT RS RS RLRL Figura 5-6 Exemplo. SOLUÇÃO Com a Equação (5-2): VTH = = 1 18 14 2k 270 +1 k V VΩ Ω Ω ( ) , Como esta tensão equivalente de Thevenin é maior que a tensão Zener, o diodo Zener está operando na região de ruptura. Exemplo 5-3 Qual é o valor da corrente Zener na Figura 5-6b? SOLUÇÃO Você obteve a tensão nos dois lados do resistor em série. Subtraia as tensões e verá que 8 V estão aplicados no resistor em série. Portanto, a lei de Ohm fornece: IS = = 8 29 6V 270 mA Ω , 148 Eletrônica Como a tensão na carga é de 10 V, a corrente na carga é: IL = = 10 10V 1 k mA Ω A corrente no Zener é a diferença entre as duas correntes: IZ = 29,6 mA – 10 mA = 19,6 mA PROBLEMA PRÁTICO 5-3 Usando a Figura 5-6b, mude a tensão da fonte de alimentação para 15 V e calcule IS, IL e IZ. Exemplo de aplicação 5-4 O que faz o circuito da Figura 5-7? FONTE DE ALIMENTAÇÃO 20 V 10 V 750 Ω 1 kΩ 2 kΩ 35 V + – + – + – RL R2RR1 Figura 5-7 Pré-regulador. SOLUÇÃO Este é um exemplo de circuito pré-regulador (o primeiro diodo Zener) acionando outro regulador Zener, (o segundo diodo Zener). Primeiro, observe que o pré-regulador tem uma tensão de saída de 20 V. Essa é a entrada do segundo regulador Zener, cuja saída é de 10 V. A ideia básica é fornecer ao segundo regulador uma entrada bem estável, de modo que a tensão final seja extremamente regulada. Exemplo de aplicação 5-5 O que faz o circuito mostrado na Figura 5-8? +VPVV –VPVV 0 RL VZV + 0,7 –VZ V – 0,7 0 RS Figura 5-8 Diodos Zener utilizados para dar a forma de onda desejada. SOLUÇÃO Na maioria das aplicações, os diodos Zener são utilizados como reguladores de tensão permanecen-do na região de ruptura. Mas existem exceções. Algumas vezes, os diodos Zener podem ser utilizados em circuitos formadores de onda como na Figura 5-8. Observe a conexão em anti-série dos dois diodos Zener. No semiciclo positivo, o diodo superior conduz e o diodo inferior opera na região de ruptura. Portanto, a saída é ceifada conforme mostrado. Os níveis de ceifamento são iguais à tensão Zener (tensão de ruptura do diodo) mais 0,7 V (tensão do diodo diretamente polarizado). No semiciclo negativo, a ação é invertida. O diodo inferior conduz e o diodo superior opera na região de rup- tura. Desse modo, a tensão na saída tem a aparência de uma onda quadrada. Quanto maior a amplitude do sinal senoidal de entrada, melhor é a aparência de uma onda quadrada na saída. PROBLEMA PRÁTICO 5-5 Na Figura 5-8, o valor de VZ para cada diodo é de 3,3 V. Qual será o valor da tensão em RL? Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 149 Exemplo de aplicação 5-6 Descreva brevemente o funcionamento de cada circuito na Figura 5-9. (a) (b) (c) 2,4 V +13,8 V 0,7 V 0,7 V 10 V 20 V – + 5,6 V12 V – + 6,4 V 5,2 V +11,4 V +10,7 V +10 V RS 6,8 V 12 V – + – + 1000 µF 6 V NOMINAL FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE DE ALIMENTAÇÃO RELÉ DE 6 V Figura 5-9 Aplicações dos diodos Zener. (a) Produção de tensões de saídas não padronizadas; (b) alimentando um relé de 6 V por meio de uma fonte de alimentação de 12 V; (c) carregando um capacitor de 6 V por meio de uma fonte de alimentação de 12 V. SOLUÇÃO A Figura 5-9a mostra um diodo Zener e diodos de silício comuns que podem produzir várias ten- sões CC de saída, por meio de uma fonte de alimentação de 20 V. O diodo debaixo produz uma saída de 10 V. Cada diodo de silício comum está polarizado diretamente, fornecendo saídas de 10,7 V e 11,4 V. O diodo de cima tem uma tensão de ruptura 2,4 V, fornecendo uma saída de 13,4 V. Com outras combinações de diodo Zener e diodos de silício comuns, um circuito como este pode produzir diferentes valores de tensão CC na saída. Se você tentar conectar um relé de 6 V em uma fonte de alimentação de 12 V, ele provavelmente será dani - cado. É necessário provocar uma queda de tensão. A Figura 5-9b mostra um modo de se obter isto. Conectando-se um diodo Zener de 5,6 V em série com o relé, ele será alimentado com apenas 6,4 V, que geralmente está dentro da tolerância da tensão nominal do relé. Capacitores eletrolíticos de maiores valores de capacitância geralmente são de baixa tensão nominal. Por exemplo, um capacitor eletrolítico de 1000 µF pode ter uma tensão nominal de apenas 6 V. Isso signi ca que a tensão máxima no capacitor deve ser menor que 6 V. A Figura 5-9c mostra um recurso em que um capacitor ele- trolítico de 6 V está sendo carregado por uma fonte de alimentação de 12 V. Novamente, a ideia é usar um diodo Zener para provocar uma queda de tensão. Nesse caso, a queda no diodo Zener é 6,8 V, deixando apenas 5,2 V para o capacitor. Desse modo, o capacitor eletrolítico pode ltrar a saída da fonte de alimentação e ainda permanecer dentro da sua tensão nominal. 150 Eletrônica 5-3 Segunda aproximação do diodo Zener A Figura 5-10a mostra a segunda aproximação de um diodo Zener. Uma resistên- cia Zener relativamente pequena está em série com uma bateria ideal. A tensão total no diodo Zener é igual à tensão de ruptura mais a queda de tensão da resis- tência Zener. Como RZ é relativamente pequeno num diodo Zener, ele tem um efeito mínimo sobre a tensão total no diodo Zener. Efeito sobre a tensão na carga Como podemos calcular o efeito da resistência Zener sobre a tensão na carga? A Figura 5-10b mostra uma fonte de alimentação alimentando um regulador Ze- ner. Idealmente, a tensão na carga é igual à tensão de ruptura VZ. Mas na segunda aproximação incluímos a resistência Zener como mostra a Figura 5-10c. A queda de tensão adicional em RZ aumentará ligeiramente a tensão na carga. Como a corrente Zener circula pela resistência Zener na Figura 5-10c, a tensão na carga é dada por: VL = VZ + IZRZ Conforme você pode ver, a variação na tensão da carga para o caso ideal é: ∆VL = IZRZ (5-7) Em geral, o valor de RZ é baixo de modo que a variação na tensão é baixa, tipi- camente de décimos de um volt. Por exemplo, se IZ = 10 mA e RZ = 10 Ω, então ∆VL = 0,1 V. É ÚTIL SABER Os diodos Zener com tensões de ruptura próximo de 7 V têm o menor valor de impedância Zener. – + – + = RZ VZ (a) (b) (c) VS VZ RS RL VS RZ VZ RS RL + – + – + – VL + – + – + – VL FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE DE ALIMENTAÇÃO Figura 5-10 Segunda aproximação de um diodo Zener. (a) Circuito equivalente; (b) fonte de alimentação com regulador Zener; (c) análise incluindo a resistência Zener. Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 151 VR(in) RZ RS VR(out) RS RLRZ VR(out) VR(in) (a) (b) FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE DE ALIMENTAÇÃO Figura 5-11 O regulador Zener reduz a ondulação. (a) Circuito equivalente CA completo; (b) circuito equivalente CA simplificado. Efeito na ondulação Assim que a ondulação existir, podemos usar o circuito equivalente mostrado na Figura 5-11a. Em outras palavras, as únicas componentes que afetam a ondulação são as três resistências mostradas. Podemos simplificá-las ainda mais. Em um projeto típico, RZ é muito maior que RL. Portanto, as duas únicas componentes que apresentam um efeito significante sobre a ondulação são a resistência em série e a resistência Zener mostrada na Figura 5-11b. Como a Figura 5-11b é um divisor de tensão, podemos escrever a seguinte equação para a ondulação na saída: V R R R VR Z S Z R( ) ( )out in= + Os cálculos para a ondulação não são críticos; isto é, eles não precisam ser exatos. Como RS é sempre muito maior que RZ em um projeto típico, podemos usar esta aproximação para todas as verificações de defeitos e análises preliminares: V R R VR Z S R( ) ( )out in≈ (5-8) Exemplo 5-7 O diodo Zener na Figura 5-12 tem uma tensão de ruptura de 10 V e uma resistência Zener de 8,5 Ω. Use a segunda aproximação para calcular a tensão na carga quando a corrente no Zener for de 20 mA. RS VS VV VZV RL + + – – FONTE DE ALIMENTAÇÃO Figura 5-12 Regulador Zener com carga. 152 Eletrônica Exemplo de aplicação 5-9 O regulador Zener na Figura 5-13 tem VZ = 10 V, RS = 270 Ω e RZ = 8,5 Ω, os mesmos valores usados no Exemplo 5-7 e 5-8. Descreva as medições feitas na análise do circuito com o MultiSim. Canal 1 Canal 2 Figura 5-13 Análise de um regulador Zener com o MultiSim. SOLUÇÃO A variação na tensão da carga é igual à corrente Zener multiplicada pela resistência Zener: ∆VL = IZRZ = (20 mA) (8,5 Ω) = 0,17 V Em uma segunda aproximação, a tensão na carga é: VL = 10 V + 0,17 V = 10,17 V PROBLEMA PRÁTICO 5-7 Use a segunda aproximação para calcular a tensão na carga na Figura 5-12 quando IZ = 12 mA. Exemplo 5-8 Na Figura 5-12, RS = 270 Ω, RZ = 8,5 Ω e VR(in) = 2 V. Qual é o valor aproximado da tensão de ondulação na carga? SOLUÇÃO A ondulação na carga é aproximadamente igual à divisão de RZ por RS, multiplicada pela ondulação na entrada: VR( ) , out V mV≈ = 8 5 270 2 63Ω Ω PROBLEMA PRÁTICO 5-8 Usando a Figura 5-12, qual é o valor aproximado da tensão de ondulação na carga se VR(in) = 3 V? Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 153 SOLUÇÃO Se calcularmos a tensão na Figura 5-13 usando os métodos estudados anteriormente, obteremos os seguintes resultados. Com um transformador com relação de transformação de 8:1, a tensão de pico no secundário é de 21,2 V. Subtraia as quedas de tensão nos dois diodos e obterá uma tensão de 19,8 V no capacitor de filtro. A corrente no resistor de 390 Ω é de 51 mA e a corrente no resistor RS é de 36 mA. O capacitor tem que fornecer a soma dessas duas correntes, ou seja, 87 mA. Com a Equação 4-10, essa corrente resulta em uma ondulação no capacitor de 2,7 V pp aproximadamente. Com ela, podemos calcular a ondulação na saídado regulador Zener, que é de aproximadamente 85 mV pico a pico. Como a ondulação é alta, a tensão no capacitor oscila do maior valor de 19,8 V ao menor de 17,1 V. Se você ti- rar a média desses dois valores, obterá 18,5 V como tensão CC aproximada no capacitor de ltro. Esse baixo valor de tensão CC signi ca que as ondulações na entrada e na saída calculadas anteriormente também serão menores. Como nos capítulos estudados anteriormente, cálculos como esse são apenas estimados, porque a análise deve incluir os efeitos de ordens superiores. Agora, vamos ver as medições no MultiSim, que nos darão respostas quase exatas. A leitura no multímetro indi- ca 18,78 V, muito próximo do valor estimado de 18,5 V. O canal 1 do osciloscópio mostra a ondulação no capacitor. Esse valor é de aproximadamente 2 V pp, razoavelmente menor que o estimado 2,7 V pp, mas ainda está próximo do valor esperado. Por m, a ondulação na saída do regulador Zener é de aproximadamente 85 mV pp (canal 2). Figura 5-13 (continuação) 154 Eletrônica 5-4 Ponto de saída do regulador Zener Para um regulador Zener manter a tensão de saída constante, o diodo Zener deve permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação. Isso equivale a dizer que deve haver uma corrente Zener para todos os valores de tensão da fonte de alimentação e para todas as correntes de carga. Condições de pior caso A Figura 5-14a mostra um regulador Zener. Ele tem as seguintes correntes: I V V R I V R S S Z S L L L = − = − = = = = 20 10 200 50 10 1 10 V V mA V k mA Ω Ω e IZ = IS – IL = 50 mA – 10 mA = 40 mA Agora considere o que acontece quando a tensão da fonte de alimentação di- minui de 20 V para 12 V. Nos cálculos anteriores você pode ver que IS diminuirá, IL permanecerá a mesma e IZ diminuirá. Quando VS for igual a 12 V, IS será igual a 10 mA e IZ = 0. Com essa tensão baixa na fonte, o diodo Zener está prestes a sair da região de ruptura. Se a fonte diminuir ainda mais, a regulação será perdida. Em outras palavras, a tensão na carga será menos de 10 V. Logo, a baixa tensão na fonte pode fazer que o circuito Zener falhe como regulador. Outro modo de perder a regulação é quando a corrente na carga é muito alta. Na Figura 5-14a, considere o que acontece quando a resistência na carga diminui de 1 kΩ para 200 Ω. Quando a resistência na carga for de 200 Ω, a corrente na car- ga aumenta para 50 mA e a corrente Zener diminui para zero. Novamente, o diodo Zener está prestes a sair da ruptura. Portanto, um circuito Zener sairá de regulação se a resistência na carga for muito baixa. RS 200 Ω RL 1 kΩ 10 V (a) (b) 20 V RS(máx) RL(mín) IZ PRÓXIMO DE ZERO VS(mín) + – + – FONTE DE ALIMENTAÇÃO FONTE DE ALIMENTAÇÃO Figura 5-14 O regulador Zener. (a) Operação normal; (b) condições de pior caso para o ponto de saída do regulador. Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 155 Finalmente, considere o que acontece quando RS aumenta de 200 Ω para 1 kΩ. Nesse caso, a corrente em série diminui de 50 mA para 10 mA. Logo, uma resistência em série de alto valor pode levar o circuito para fora de regulação. A Figura 5-14b resume as ideias anteriores mostrando as condições de pior caso. Quando a corrente no Zener for próxima de zero, a regulação Zener aproxi- ma-se do ponto de saída ou condição de falha na regulação. Analisando o circuito nas condições de pior caso, é possível derivar as seguintes equações: R RS S Z L( ) ( ) ( )máx mín mín1= − V V (5-9) Uma forma alternativa para esta equação é também muito útil: R IS S Z L ( ) ( ) ( ) máx mín máx = −V V (5-10) Essas duas equações são úteis porque você pode testar um regulador Zener para saber se ele irá falhar em alguma condição de operação. Exemplo 5-10 Um regulador Zener tem uma tensão de entrada que pode variar de 22 V a 30 V. Se a tensão na saída do regulador for de 12 V e a resistência na carga variar de 140 Ω a 10 kΩ, qual será o valor máximo permitido para a resis- tência em série? SOLUÇÃO Use a Equação 5-9 para calcular a resistência em série máxi- ma como segue: RS ( )máx V V = − = 22 12 1 140 117Ω Ω Enquanto a resistência em série for menor do que 117 Ω, o regulador Zener funcionará adequadamente sobre todas as condições de operação. PROBLEMA PRÁTICO 5-10 Usando o Exemplo 5-10, qual é a resistência em série máxima permitida se a tensão na saída for regulada em 15 V? Exemplo 5-11 Um regulador Zener tem uma tensão de entrada na faixa de 15 V a 20 V e uma corrente na carga na faixa de 5 mA a 20 mA. Se a tensão no Zener for de 6,8 V, qual é o valor da resistência em série máxima permitida? SOLUÇÃO Use a Equação (5-10) para calcular a resistência em série má- xima como segue: RS ( ) , máx V V mA = − = 15 6 8 20 410Ω Se a resistência em série for menor que 410 Ω, o regulador Zener funcionará adequadamente sobre quaisquer condições. PROBLEMA PRÁTICO 5-11 Repita o Exemplo 5-11 usando uma tensão Zener de 5,1 V. 156 Eletrônica 5-5 Interpretação das folhas de dados A Figura 5-15 mostra as folhas de dados para os diodos Zener da série 1N5221B e 1N4728A. Consulte essas folhas de dados durante os estudos a seguir. Repetindo, a maioria das informações contidas nas folhas de dados é própria para os projetistas, mas existem alguns poucos itens que os técnicos em manutenção também precisam saber. Potência máxima A dissipação de potência num diodo Zener é igual ao produto de sua tensão por sua corrente: PZ = VZIZ (5-11) Por exemplo, se VZ = 12 V e IZ = 10 mA, então: PZ = (12 V)(10 mA) = 120 mW Enquanto PZ for menor que a potência nominal, o diodo Zener poderá operar na re- gião de ruptura sem ser danificado. Os diodos Zener podem ser encontrados comer- cialmente com potências na faixa de ¼ até mais que 50 W. Por exemplo, as folhas de dados para o diodo da série 1N5221B informam que a potência nominal máxima é de 500 mW. Um projeto seguro inclui um fator de segurança para manter a dissipação de potência bem abaixo de seu valor máximo, 500 mW. Conforme mencionado anteriormente, um fator de segurança igual a 2 ou mais é usado pelos projetistas mais precavidos. Corrente máxima As folhas de dados geralmente incluem a corrente máxima que um diodo Zener pode conduzir sem exceder sua potência máxima. Se o valor não for listado, a corrente má- xima pode ser obtida como segue: I P VZM ZM Z = (5-12) onde IZM = corrente máxima nominal do Zener PZM = potência nominal VZ = tensão Zener Por exemplo, o diodo 1N4742A tem uma tensão Zener de 12 V e uma potência nomi- nal de 1 W. Portanto, sua corrente máxima é: IZM = = 1 12 83 3W V mA, Ao satisfazer à corrente nominal, você automaticamente satisfaz à potência nominal. Por exemplo, se você mantiver a corrente Zener máxima abaixo de 83,3 mA, também manterá a potência máxima de dissipação abaixo de 1 W. Se você usar o fator de seguran- ça 2, não precisa se preocupar com um projeto de ventilação para o diodo. O valor de IZM, tanto calculado quanto listado, é o valor nominal da corrente contínua. Valores de cor- rentes de pico reversas e não repetitivas, normalmente, são fornecidas pelos fabricantes e incluem observações sobre as condições nas quais o dispositivo foi testado. Tolerância A maioria dos diodos Zener apresenta um sufixo como A, B, C ou D para identificar a tolerância da tensão Zener. Pelo fato de essa notação não ser padronizada, procure saber se há alguma nota especial incluída nas folhas de dados do diodo Zener que identifique a tolerância específica. Por exemplo, as folhas de dados do diodo da série 1N4728A indica sua tolerância como igual a � 5%, assim como a série 1N5221B também tem uma tole- rância de � 5%. O sufixo C representa � 2%, o D, � 1%, e quando não há sufixo ± 20%. Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 157 Figura 5-15 (a) Folhas de dados do diodo Zener ”Partial“. (Copyright de Fairchild Semiconductor. Usado com permissão.) 158 Eletrônica Figura 5-15(b) Folhas de dados do diodo Zener ”Partial“. (Copyright de Fairchild Semiconductor. Usado com permissão.) (Continuação) Capítulo 5 • Diodos para aplicações especiais 159 Resistência Zener A resistência Zener (também conhecida como impedância Zener) pode ser desig- nada por RZT ou ZZT. Por exemplo, o diodo da série 1N5237B tem uma resistência Zener de 8,0 Ω medida para uma corrente de teste de 20,0 mA. Enquanto a cor- rente Zener estiver acima do joelho da curva Zener, você pode usar 8,0 Ω como um valor aproximado da resistência Zener. Mas observe que a resistência Zener aumenta no joelho da curva (1000 Ω). A ideia principal é a seguinte: o diodo deve operar com a, ou próximo da, corrente de teste, se possível o tempo todo. Com isso, você sabe que a resistência Zener é relativamente baixa. As folhas de dados contêm muitas informações adicionais, mas são dirigidas principalmente para os projetistas. Se você está envolvido num projeto, deve ler as informações contidas nas folhas de dados atenciosamente, incluindo as notas que especificam os valores medidos. Degradação O fator de degradação (derating factor) mostrado nas folhas de dados informa em quanto será reduzida a potência de dissipação de um dispositivo. Por exemplo, a série 1N4728A tem uma potência nominal de 1 W para uma temperatura de 50°C. O fator de degradação é dado como 6,67 mW/ºC. Isso significa que você tem de subtrair 6,67 mW para cada grau Celsius acima de 50ºC. Mesmo que você não esteja numa atividade de projeto, deve estar ciente do efeito da temperatura. Se já sabe que a temperatura de operação está acima de 50°C, o projetista deve reduzir a potência nominal do diodo Zener. 5-6 Análise de defeito A Figura 5-16 mostra um regulador Zener. Quando o circuito está funcionando corretamente, a tensão entre o ponto A e o terra é de +18 V, a tensão entre o ponto B e o terra é de +10 V e a tensão entre o ponto C e o terra é de +10 V. Indicação única Agora vamos estudar o que pode dar errado com o circuito. Quando um circuito não está funcionando corretamente, o técnico em manutenção usualmente começa medindo os valores de tensão. Essas medições fornecem pistas que o ajudam a isolar o defeito. Por exemplo, suponha os seguintes valores de tensão medidos: VA = +18 V VB = +10 V VC = 0 Aqui está o que passa pela mente de um técnico em manutenção depois de ter en- contrado esses valores medidos: Será que o resistor de carga abriu? Não. Se abrisse, a tensão na carga seria de 10 V. Será que o resistor da carga entrou em curto? Não. Se entrasse em curto, a tensão nos pontos B e C seria 0 V. Tubo bem, será que o fio conec- tado entre B e C abriu? Sim, deve ser isto. Este tipo de defeito produz uma única indicação. O único modo de você obter es- sas medidas de tensão é quando a conexão entre os pontos B e C abrem. Indicações indefinidas Nem todos os defeitos produzem uma única indicação. Algumas vezes, dois ou mais defeitos produzem o mesmo conjunto de medidas de tensão. Suponha que o técnico em manutenção obtenha as seguintes medidas de tensão: VA = +l8 V VB = 0 VC = 0 Que defeito você acha que ocorreu? Pense sobre isso por alguns minutos. Quando tiver uma resposta, continue sua leitura. D1 10 V RL 1 kΩ RS 270 Ω +18 V A B + _ C Figura 5-16 Verificação de defeito em um regulador Zener. geova Retângulo 162 Eletrônica 5-7 Retas de carga A corrente no diodo Zener da Figura 5.18a é dada por: I V V RZ S Z S = − Suponha que VS = 20 V e RS = 1 kΩ. Logo, a equação anterior se reduz a: I V Z Z= −20 1000 Obtemos o ponto de saturação (intercepto vertical) fazendo VZ igual a zero e re- solvendo em função de IZ para obter 20 mA. De modo idêntico, para obter o ponto de corte (intercepto horizontal), fazemos IZ igual a zero e resolvemos em função de VZ para obter 20 V. Alternativamente, você pode obter os dois extremos da reta de carga como segue. Visualize a Figura 5-18a com VS = 20 V e RS = 1 kΩ. Com o diodo Zener em curto a corrente máxima no diodo é de 20 mA. Com o diodo aberto, a tensão máxima no diodo é de 20 V. Suponha que o diodo Zener tenha uma tensão de ruptura de 12 V. Então, seu gráfico tem a aparência mostrada na Figura 5-18b. Quando traçamos a reta de car- ga para VS = 20 V e RS = 1 kΩ, obtemos a reta de carga superior com os pontos de interseção de Q1. A tensão no diodo Zener será ligeiramente maior que a tensão de joelho na ruptura por causa da leve inclinação na curva do diodo. Para entender como funciona a regulação de tensão, suponha que a tensão da fonte varie para 30 V. Então, a corrente no Zener varia para: I V Z Z= −30 1000 Isso implica que os extremos da reta de carga sejam 30 mA e 30 V, conforme mos- tra a Figura 5-18b. O novo ponto de interseção é Q2. Compare Q2 com Q1 e veja que passa uma corrente maior pelo diodo Zener, mas a tensão é ainda próxima da tensão Zener. Portanto, mesmo que a tensão na fonte varie de 20 V para 30 V, a tensão Zener é ainda aproximadamente igual a 12 V. Essa é a ideia básica da re- gulação de tensão: a tensão de saída permanece quase constante mesmo com uma variação considerável da tensão de entrada. 5-8 Diodos emissores de luz A optoeletrônica é a tecnologia que combina a ótica com a eletrônica. Esse campo inclui vários dispositivos baseados na ação de uma junção pn. Alguns exemplos de dispositivos optoeletrônicos são: diodos emissores de luz (LEDs), fotodiodos, acopladores óticos e diodos laser. Nossa discussão começa com o LED. Diodo emissor de luz Os LEDs substituíram as lâmpadas incandescentes em muitas aplicações devido a vários fatores: baixo consumo de energia, tamanho reduzido, resposta rápida a chaveamentos e longo ciclo de vida. A Figura 5-19 mostra as partes de um LED de baixa potência padrão. Assim como num diodo comum, o LED tem um anodo e um catodo que necessitam ser adequadamente polarizados para que opere correta- mente. Do lado de fora de um LED com encapsulamento plástico típico, existe um corte plano o qual indica o lado do catodo. O material semicondutor utilizado na fabricação do LED é que irá determinar suas características essenciais. – + V I (b) VS RS VZ – + –20 mA –30 mA –33 mA –12 V–20 V–30 V Q1 Q2 (a) Figura 5-18 (a) Circuito regulador Zener; (b) retas de carga. geova Retângulo 5-1 Diodo Zener Gráfico I-V Resistência Zener Regulador Zener Aplicando novamente a Lei de Ohm Diodo Zener ideal Exemplo 5-1 5-2 Regulador Zener com carga Operação na ruptura Corrente em série Corrente na carga Corrente no Zener Efeito Zener Tabela 5-1 Analisando um regulador Zener com carga Coeficientes de temperatura Exemplo 5-2 Exemplo 5-3 Exemplo de aplicação 5-4 Exemplo de aplicação 5-5 Exemplo de aplicação 5-6 5-3 Segunda aproximação do diodo Zener Efeito sobre a tensão na carga Efeito na ondulação Exemplo 5-7 Exemplo 5-8 Exemplo de aplicação 5-9 5-4 Ponto de saída do regulador Zener Condições de pior caso Exemplo 5-10 Exemplo 5-11 5-5 Interpretação das folhas de dados Potência máxima Corrente máxima Tolerância Resistência Zener Degradação 5-7 Retas de carga
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