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UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN ELT313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório No1: Diodos Semicondutores AVALIAÇÃO Data Turma Bancada Pont/Org Estudos Res Exp Obs/Concl matricula nome assinatura OBJETIVOS ? Testar diodos utilizando multímetro digi- tal. ? Desenhar a curva característica tensão vs. corrente. ? Medir “tempo de recuperação reversa - tRR”. LISTA DE MATERIAL ? Fonte de tensão contínua ajustável 15V/1A ? Multímetro digital ? Osciloscópio de dois canais ? Gerador de funções ? Resistor 1/3[W], 5%, 1[kΩ] 10[kΩ] 100[kΩ] 1[MΩ] ? Potenciômetro 4k7 ou 10[kΩ] ? Diodos semicondutores 1N4001/1N4007 - retificador (1) 1N4148 - retificador rápido (1) 1N758/C10 - zener 10V, 400mW (1) LED (1) ESPECIFICAÇÕES DO DIODO Diodo é o termo utilizado para dispositivo eletrônico de dois terminais (eletrodos). Dio- dos semicondutores de silício, não necessa- riamente elementos de apenas uma junção, são designados por 1Nxxxx. Diodos retificadores são componentes e- letrônicos de dois terminais com a proprie- dade de permitir a passagem de corrente em apenas um sentido. Diodo retificador semi- condutor é constituído de apenas uma jun- ção PN, Para utilizar o diodo retificador, devemos verificar, no mínimo, as seguintes especifi- cações: ? Tensão (PIV, VRR) ? Corrente (eficaz, média, pico) ? Potência (média, pico) ? Resistência térmica e dissipador de calor. O valor máximo de corrente que o diodo pode conduzir, que deve ser menor que o máximo absoluto (maximum ratings), é limi- tado pela máxima temperatura suportável pela junção (125oC a 200oC). Em regime de operação contínuo esta temperatura pode ser calculada da seguinte forma. )(. AJDAJ RP −Θ+Θ=Θ ΘJ= Temperatura da Junção [oC] ΘA= Temperatura Ambiente [oC] PD= Potência Dissipada [W] RΘ(J-A)= Resistência Térmica entre junção e ambiente [oC/W] Quanto maior for a corrente, maior será a dissipação de potência no diodo. A potência média dissipada no diodo pode ser calcula- da pela seguinte equação: )()( 2 )( .. AvDtRMSDtavD IVIRP += A resistência térmica depende da monta- gem, do tamanho do dissipador de calor e da ventilação disponível. Quanto maior o dissipador de calor, menor será esta resis- tência térmica. ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 2 Em regime pulsado ou em ciclos intermi- tentes, o cálculo da temperatura da junção é muito mais complexo. Recomendamos a lei- tura dos manuais fornecidos pelos fabrican- tes de diodos. Para diodos retificadores de potência de- vemos especificar: tensão reversa de pico repetitivo e não repetitivo, corrente eficaz, média, de pico repetitivo e não repetitivo, corrente de sobrecarga, corrente de surto, di/dt, dv/dt, I2t, tempo de comutação ou re- cuperação, corrente reversa, queda de ten- são direta, carga de recuperação reversa, etc. Devemos ainda especificar o dissipa- dor de calor, o circuito snubber e fusíveis. Na Tabela abaixo temos alguns valores típicos para diodos de potência. IFAV 15 200 A IFSM (Tj=25oC) 320 6.000 A IFSM (Tj=125oC) 280 5.000 A I2t (Tj=125oC) 390 125.000 A2s IR (Tj=125oC) 2,5 9 mA VF (Tj=25oC) 1,85 (75A) 1,35 (600A) V Vt 0,85 0,8 V Rt 15 0,8 mΩ RthJC 2 0.2 oC/W I-TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES Podemos testar um diodo rapidamente através de um multímetro. Na maioria dos casao podemos verificar se o diodo está queimado ou não. Nos multímetros digitais devemos utilizar a escala especial para teste de diodos. Nos multímetros analógicos o teste é fei- to na escala de resistência, lembrando ape- nas que a polaridade é invertida. O terminal negativo da bateria está conectada ao ter- minal (+) ou (V/Ω) do multímetro. Nos multímetros digitais a tensão produ- zida na função RESISTENCIA (Ω) é menor que 0,2[V], menor que a barreira de potenci- al do diodo, portanto indicará ABERTO (over load) nas duas direções (ou polaridades). Se o teste do diodo indicar a mesma leitu- ra em ambas direções (menor que 0.5) pro- vavelmente esta junção estará em curto- circuito. Por outro lado, se indicar OL em ambas direções, esta junção estará aberta ou trata-se de outro elemento. ? Testar os diodos semicondutores utilizan- do dois multímetros digitais diferentes. ? Siga o procedimento conforme manual de operação do multímetro: ? Utilizar a escala especial para teste de diodos. ? Ligar a ponta de prova vermelha ao co- nector (V/Ω) e a ponta de prova preta ao conector (COM) do DMM (Digital Multi- Meter). ? Conectar a extremidade da ponta de pro- va vermelha (+) ao anodo do diodo e a extremidade da ponta de prova preta (-) ao catodo do diodo. ATENÇÃO: NUNCA tocar na parte metáli- ca da ponta de prova ? Desta forma o diodo estará polarizado di- retamente. O multímetro deverá indicar um valor entre 0.6 e 0.8. Este valor é a barreira de potencial do diodo e depende do diodo testado e principalmente da cor- rente de teste fornecida pelo multímetro (geralmente 1mA). ? Polarizando o diodo reversamente, ter- minal vermelho no catodo e terminal pre- to no anodo do diodo, o multímetro indi- cará Over Load (ou 1.) ANODO (A) CATODO (K) ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 3 OL0.75 COM V/ Ω COM V/ Ω Figura1- Teste de diodo DMM Diodo direto reverso direto reverso 1N4001 1N4148 1N758 * LED ** ATENÇÃO: Graves acidentes ocorrem com o multímetro imprudentemente es- quecido na função amperimétrica. Se um curto-circuito for provocado, o multímetro poderá explodir, dependendo da qualidade do fusível de proteção utili- zado no multímetro e da potência de cur- to-circuito da fonte de tensão. II - CURVA CARACTERÍSTICA Polarização direta O procedimento para obter a curva carac- terística do diodo na polarização direta é medir a tensão no diodo para vários valores de corrente. O método utilizado depende do tipo de fonte de corrente contínua disponível. Pode ser uma fonte de corrente ou uma fonte de tensão, fixa ou ajustável. Se a fonte de ten- são for fixa será necessária a utilização de potenciômetro. O método apresentado na Figura 2 utiliza uma fonte de tensão ajustável em série com um resistor. O valor da resistência depende da faixa do valor da corrente desejada. Devido ao baixo valor da tensão a ser medida recomenda-se utilizar a configu- ração “tensão real” ? Medir e anotar os valores de Vd para os valores de Id indicados na Tabela 1. ? Calcular a resistência dinâmica do diodo “rd” somente para alguns pontos. ? Calcular o valor real da corrente no diodo quando o amperímetro indicar 1mA. Considere 10MΩ como resistência do voltímetro. V mA + + E R =1MΩ Figura 2: Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização direta. Tabela 1 R Id Vd rd E Ω A V Ω V 1M 2µ - 5µ - 10µ 100k 20µ - 50µ - 100µ 10k 200µ - 500µ - 1m 1k 2m - 5m - 10m 100 20m - ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 4 Polarização reversa Na polarização reversa o procedimento deve ser oposto ao da polarização direta. Agora devemos medir a corrente para vários valores de tensão. Devido ao alto valor da resistência do diodo na polarização reversa, recomenda- se utilizar a configuração “corrente real”.? Montar o circuito da Figura 3 - basta in- verter a polaridade do diodo. ? Medir e anotar os valores de IR e VR para os valores de E indicados na Tabela 2. ? **Verificar o efeito de carregamento cau- sado pelo voltímetro configurado como “tensão real” medindo a corrente com e sem o voltímetro conectado em paralelo ao diodo. V uA+ + E R =1kΩ Figura 3: Circuito para levantamento da curva característica do diodo na polarização rever- sa. Tabela 2 E Vr IR IR ** V V uA uA 1,0 5,0 10,0 15,0 **com voltímetro em paralelo ao diodo ? Responda: qual instrumento pode provo- car erro e qual esse erro para E=10[V]. Construção do gráfico ? Com os dados da Tabela 1, desenhe a curva característica I x V em gráfico linear (Figura 4) utilizando duas escalas para o eixo Y (200uA e 20mA) e em gráfico loga- rítmico (Figura 5). uA100 Ω= = kR VE 10 1 mA20 Figura 4: Curva característica do diodo na po- larização direta – gráfico linear Figura 5: Curva característica do diodo na po- larização direta – gráfico logarítmico Circuitos alternativos ? Desenhar o esquema e descrever o pro- cedimento para realização da Etapa II (curva característica ) utilizando uma fonte de alimentação fixa de +12V e um poten- ciômetro de a) 1MΩ e b) 10kΩ. ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 5 Figura 4- Gráfico linear ? Desenhar, no gráfico linear, a reta de carga para: R=1[kΩ] → E=1[V], E=3[V] e E=10[V] R=100[Ω]→ E=1[V], E=3[V] e E=10[V] ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 6 Figura 5- gráfico monolog III- Influência da TEMPERATURA (OPCIONAL) ? Retornar o diodo à condição de polariza- ção direta, Figura 2, com R=1[kΩ] e E=10[V]. ? Medir e anotar na Tabela 3 os valores de ID e VD . Tabela 3 temperatura VD ID Resfriado Ambiente Aquecido ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 7 IV- CARACTERÍSTICA I X V OBTIDA COM O OSCI- LOSCÓPIO Para observar a curva característica do diodo através do osciloscópio basta configu- rar o circuito como retificador, utilizando um transformador ou um gerador de sinais com GND isolado, e conectar o osciloscópio con- forme a Figura 6. Atenção: Isolar o GND de um dos instru- mentos, osciloscópio ou gerador de funções, utilizando um plug adaptador para o cabo de força. Lembre-se que o terceiro pino do cabo de força está ligado à carcaça e ao GND do equipamento. GND/GF ISOLADO 20Vpp 100Hz CH1 GND OSCILOSCÓPIO - CH2 1k R1 Figura 6: Circuito para observação da curva característica do diodo retificador com osci- loscópio. ? Ajuste o osciloscópio no modo X-Y com o canal 2 INVERTIDO e com os eixos no centro da tela. Canal CH1 (eixo X) – tensão do diodo; Canal CH2 (eixo Y) – tensão no resistor ? Ajuste a amplitude da onda triangular em 20V pico a pico (sem off set) e observe a curva na tela do osciloscópio ? Desenhe a curva na Figura 7 com Y=5V/DIV-DC e com X=5V/DIV-DC ou X=0,5V/DIV-DC. CH1: 1V/DIV DC CH2: 5V/DIV H: X-Y Figura 7- Curva característica do diodo. V - RECUPERAÇÃO REVERSA O diodo não passa do estado de condu- ção para o estado de bloqueio instantanea- mente. Por alguns instantes (nanosegundos) o diodo conduz reversamente. Utilize o esquema apresentado na etapa anterior (Figura 6) com gerador de sinais iso- lado da rede de alimentação. A freqüência deve ser ajustada entre 60Hz e 60kHz. O osciloscópio deve ser ligado como indi- cado na Figura 6. CH1 observará a forma de onda da tensão no diodo enquanto que o canal CH2 (INVERTIDO) observará a cor- rente (tensão sobre R1). Observar as duas ondas no tempo na fre- qüência de 60Hz e depois em 6kHz. ? Medir, aproximadamente, o tempo de re- cuperação reversa diodo retificador “pha- se control” 1N4007 e do diodo retificador de comutação rápida 1N4148. tRR catálogo medido 1N4007 1N4148 ELT313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório No 1 UNIFEI - IESTI - GEB - ELM & KN 8 Id Vd 5V -5V 20us Trigger: CH1 5V -5V 20us Trigger: CH1 Figura 8- Oscilograma da condução reversa no diodo – 1N4001 ? Mude a forma de onda para QUADRADO e desenhe a forma de onda observada. CH1: 5V/DIV DC CH2: 5V/DIV H: SEC/DIV Figura 9- Recuperação reversa do diodo reti- ficador para onda quadrada – 1N4001 VI - FONTE DE TENSÃO E FONTE DE CORRENTE O diodo retificador é o dispositivo semi- condutor mais elementar da eletrônica, po- rém não devemos subestimar sua potencia- lidade. A análise de circuitos com diodos es- tá longe de ser fácil e direto uma vez que ele é um elemento NÃO LINEAR. Um exemplo interessante é apresentado na Figura 10. Os dois circuitos aparentemen- te semelhantes apresentam resultados to- talmente diferentes. D1 D2 + - I1 + - I2 Rc1k10mA 5mA Vo=15V 15mA D1 D2 Rc 1k + - V2 + - V1 5V10V Vo=9,2V A) B) Figura 10- Fonte de corrente e fonte de ten- são. No circuito (A), com fonte de tensão, ape- nas o diodo D1 conduz. A tensão na carga é a tensão maior V1 menos a queda de tensão em D1 (consideramos VD1=0,8V). No circuito (B), com fonte de corrente, os dois diodos conduzem. A corrente na carga é a soma das duas correntes (10mA+5mA=15mA), independente do diodo e da carga. Teremos 15V na resistência de 1[kΩ]. Poderíamos dizer que uma fonte de ten- são tem comportamento oposto ao da fonte de corrente. Eles são duais. Itajubá, MG, feveriro de 2008
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