Aula 13 - Outros Dispositivos Semicondutores de Dois Terminais Optoeletrônica - Fundamentos

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OUTROS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES 
DE DOIS TERMINAIS
OPTOELETRÔNICA - FUNDAMENTOS
ENG.º EDERSON ZANCHET
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INTRODUÇÃO
Exitem diversos dispositivos semicondutores de dois terminais com aplicações e
características diferenciadas do diodo retificador podemos citar entre eles:
1. Diodo LED;
2. Diodo de Shottky;
3. Diodo túnel;
4. Diodo Laser;
5. Varactor;
6. Fotodiodo;
7. Célula Solar;
8. Célula Fotocondutiva;
9. Termistor.
OPTOELETRÔNICA
Trata-se do estudo e aplicação de equipamentos eletrônicos que fornecem,
detectam e controlam luz.
No que remete a utilização da luz, inclui-se todas as faixas do espectro desde
formas invisíveis de radiação como raios gama, raios - X, ultravioleta e infravermelho,
como também a faixa de luz.
Aparelhos optoeletrônicos são transdutores elétricos óticos ou óticos para
elétricos, ou instrumentos que usam tais aparelhos em sua operação.
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Figura 1 – Lâmpadas LED
Fonte: http://blog.giacomelli.com.br/wp-content/uploads/2012/12/led.jpg
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
LED é a sigla em inglês para Light Emitting
Diode, ou Diodo Emissor de Luz (Figura 2).
Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em
locais e instrumentos onde se torna mais conveniente
a sua utilização no lugar de uma lâmpada.
Como o diodo led é um dispositivo de junção PN,
sua característica de polarização direta é semelhante à
de um diodo semicondutor. Sendo polarizado, a
maioria dos fabricantes adota um "código" de
identificação para a determinação externa dos
terminais A (ânodo) e K (cátodo) dos led’s.
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Figura 1 – Corte e indicacao de polaridade LED
Fonte: [tudoemecatronica.blogspot.com]
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DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
Ao contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material
opaco, e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo. É amplamente usado
em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa
resposta em circuitos de chaveamento.
De maneira ampla, os diodos emissores de luz operam com nível de tensão
na faixa de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido.
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DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
Observa-se que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida (Figura
3). Assim, os led’s:
A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de
vida útil de 100.000 ou mais horas.
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Figura 3 – Características típicas dos LED‘s
Fonte: http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_8.html
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
SIMBOLOGIA
Da mesma forma que o diodo retificador, o LED por tratar-se de uma junção PN,
tem simbologia semelhante sendo acrescido a indicação da emissão de luz através de
setas conforme a Figura 4.
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Figura 4 – Simbologia Led e Curva Caracterítica i vs V
Fonte: http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode12.gif
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
RESISTOR LIMITADOR
Como o diodo, o LED não pode receber tensão elétrica diretamente entre seus
terminais, caso isso ocorre-se, o diodo teria seu comportamento como uma chave em
curto tendendo a elevar o nível de corrente elétrica para o infinito, dessa forma se faz
necessário a utilização de um sistema limitador, normalmente emprega-se uma
resistência em serie com o LED conforme apresentado na figura 5.
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Figura 5 – Circuito com resitor limitador
R1
LED1V1
1 2
0
Fonte: Autor
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
FOLHA DE DADOS
Para obtermos o valor da resistência limitadora serão necessários alguns dados
característicos, como tensão de operação característica em função do comprimento de
onda. Os dados podem ser obtidos através da folha de dados (datasheet) do
componente, O modelo 383-2UBC/C470 da EVERLIGHT, de acordo com a Figura 4:
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Figura 6 – Características Elétricas modelo 383-2UBC/C470
Fonte:[Everlyght datasheet LED modelo 383-2UBC/C470]
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
EXEMPLO
Sabendo o valor da tensão da fonte e conhecendo as características do LED
podemos obter o ponto de operação do mesmo. Partindo de uma fonte de 15Vcc e
sabendo que a tensão de operação do LED é VD=VF=3.5V e a corrente neste ponto
será 20mA, temos:
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





575
10.20
5.315
3
R
R
it
VDV
R
FOTO DIODO - FUNDAMENTOS
O fotodiodo (Figura 7) é um dispositivo semicondutor de junção PN cuja região de
operação é limitada pela região de polarização reversa e caracteriza-se por ser
sensível à luz.
A aplicação de luz à junção resultará em uma transferência de energia das ondas
luminosas incidentes (fótons) para a estrutura atômica, resultando em um aumento do
número de portadores minoritários e um aumento do nível da corrente reversa. A
corrente retornará a zero somente se for aplicada uma polarização positiva igual a Vo.
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FOTO DIODO - FUNDAMENTOS
Em resumo, podemos dizer então que um fotodiodo é um dispositivo que converte
a luz recebida em uma determinada quantidade de corrente elétrica.
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Figura 7 – Modelos de fotodiodos
http://img.alibaba.com/photo/596390725/Remote_control_IR_receiver_diode.jpg
FOTO DIODO - FUNDAMENTOS
A corrente negra é a corrente que existirá sem nenhuma iluminação aplicada.
A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um
aumento na intensidade luminosa resultará em um aumento semelhante na corrente
reversa. Podemos admitir que a corrente reversa é essencialmente nula na ausência
de luz incidente.
Seguindo os mesmos moldes da simbologia do LED na figura 8 temos a
simbologia do foto diodo.
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Figura 8 – Simbologia utilizada para foto diodo
Fonte: [2]
FOTO DIODO - SIMBOLOGIA
No gráfico da figura 9 é apresentada a relação de corrente elétrica vs
comprimento de onda para um fotodiodo.
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Figura 9 – Relação da Corrente elétrica pelo comprimento de onda
Fonte: http://img79.imageshack.us/img79/4786/photo1.png
ACOPLADORES OPTICOS
Um acoplador ótico (também chamado isolador ótico ou isolador com
acoplamento ótico) contém um IRED (Infra Red Emitter Diode) e um fotodetector em
um mesmo bloco.
Estes dispositivos são encapsulados de tal maneira que a energia irradiada por
um IRED é transmitida eficientemente ao detector através de um meio dielétrico de
isolação e rodeado por um material opaco, o qual proporciona proteção contra a luz
ambiente. Na figura 10 podemos observar o diagrama de um acoplador optíco.
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ACOPLADORES OPTICOS
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Figura 10 – Diagrama básico acoplador optíco
Fonte:[http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/MF28_pg50_figura12.png] 
ACOPLADORES OPTICOS
A grande vantagem é que não existe nenhuma conexão elétrica entre a entrada e
a saída. Com um acoplador ótico, o único contato entre a entrada e a saída é o feixe de
luz. Por isso, é possível obter um isolamento resistivo entre os dois circuitos da ordem
de MΩ.
Um isolamento desse tipo é útil em aplicações de alta tensão nas quais os
potenciais dos dois circuitos podem diferir em milhares de volts conforme com a figura
11 onde podemos observar a aplicação em um circuito como estrutura física.
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ACOPLADORES OPTICOS
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Figura 11 – Circuito Isolado e modelo de encapsulamento
Fonte: [http://www.alfa-connect.com/productos/soluciones/fibra/images/atenuador.jpg]
ACOPLADORES OPTICOS
Algumas aplicações típicas dos fotoacopladores são, por exemplo, a prevenção
de laços fechados de terra, deslocamento de níveis de corrente contínua e controle
lógico de circuitos de potência.
A capacidade de isolamento de um fotoacoplador de transferir eficientemente o
sinal desejado é definido como Relação de transferência de corrente (Currente
Transfer Ratio- CTR). Esta relação depende da eficiência radiativa, da distância entre o
IRED e o detector, da área de superfície ea sensibilidade do detector e o ganho de
amplificação do mesmo.
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ACOPLADORES OPTICOS
A capacidade acoplador optíco em proporcionar proteção de isolamento é
geralmente expressa em relação a sobretensão transitória de isolação.
Sobretensão é a medida da solidez da cápsula e da rigidez dielétrica dos
materiais isolantes. Os três parâmetros críticos de isolação são:
1.Resistência de isolação: Valor ôhmico de resistência em corrente contínua
entre a entrada e saída do acoplador.
2.Capacitância de isolação: Capacitância parasita do dielétrico desde a entrada
até a saída. Os valores típicos variam de 1 e 2,5 pF.
3.Rigidez dielétrica: Esta relacionado ao valor de tensão que o material suporta
antes do ponto de ruptura.
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ACOPLADORES OPTICOS
Existem diversos modelos de acordo com a necessidade de cada projeto, entre
eles podemos citar:
1.Fotoacoplador a base de fotodiodo;
2.Fotoacoplador a base de Transistor;
3.Fotoacoplador a base de Triac;
4.Fotoacoplador a base de Transistor de Darlington;
5.Fotoacoplador a base de MOSFET's;
Como mencionado existem diversos modelos, com características de rigidez
dielétrica, capacidade de transferência, frequência de chaveamento e capacidade de
isolação, pontos que devem ser levados em conta na escolha do tipo de acoplamento.
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ACOPLADORES OPTICOS
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Figura 12 – Tipos de acopladores opticos quanto ao funcionamento interno
Fonte: [http://www.siteews.xpg.com.br/led6.gif]
ACOPLADORES OPTICOS
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Figura 12 – Tipos de acopladores ópticos quanto ao funcionamento interno
Fonte: [http://dc147.4shared.com/doc/d6XM6Cgn/preview_html_m4025360d.png]
EXERCÍCIOS
CAPITULO 20
Página 589.
20.6 Foto diodos:
Exercícios 23, 24 e 26.
20.8 Emissores de IV
Exercício 33
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. Vol. I - 4.ª; Ed. Makron Books: São Paulo, 1995.
[2] BOYLESTAD, R. L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos; Ed. Prentice Hall: São
Paulo, 2004.
[3] BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrônica; UNICAMP, 2000.
[4] BARBI, Ivo, Eletrônica de Pôtencia – 6ª edição, Ed. Do autor: Florianópolis, 2005.
[5] Diodos Semicondutores II, disponível em
http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic_220.shtml#diodo_tunel acesso em 27 ago. 2012.
EDERSON ZANCHET
Mestrando em Engenharia Elétrica e Informática Industrial - UTFPR
Engenheiro de Controle e Automação - FAG
Departamento de Engenharia – FAG
Docente Disciplina de Eletronica Analógica
ederson.zt@gmail.com
ezanchet@fag.edu.br
www.fag.edu/professores/ederson