CAPÍTULO 4 – DIODOS COM FINALIDADES ESPECÍFICAS
Este capítulo discute a aplicação de alguns diodos especiais, com características específicas. São
estes o diodo zener (usado como regulador de tensão) e o diodo emissor de luz – denominado LED.
Diodo Zener
O diodo zener é um diodo diferente: ele é feito para trabalhar em polarização reversa, ou na região de
ruptura, ao contrário dos outros diodos comuns. Este diodo pode funcionar em qualquer das regiões: direta, de
fuga ou de ruptura. Na região direta ele começa a conduzir por volta dos 0,7V, exatamente como um diodo de
silício comum. Na região de fuga (entre zero e a ruptura) ele apresenta apenas uma pequena corrente de fuga ou
reversa. De acordo com a curva do diodo zener, mostrada na Figura 4.1, a ruptura tem um joelho muito
pronunciado, seguido de um aumento de corrente vertical. Observamos que a tensão é praticamente constante,
aproximadamente igual a tensão do zener para toda a região de ruptura. O diodo zener às vezes é chamado diodo
regulador de tensão porque mantém uma tensão de saída constante, mesmo que a corrente que passa por ele
varie, desde um valor mínimo (IZmin) até um valor máximo (IZmax).
Figura 4.1 – Curva de corrente (I) contra tensão (V) para um diodo zener.
Abaixo, segue a tabela com as medidas de corrente para as respectivas medidas de tensão em um circuito
série contendo um diodo zener de 4,7V polarizado diretamente, um resistor de 1kΩ/(1/4W) e uma fonte de fem
(variável, na realidade). O diagrama do circuito também é mostrado na Figura 4.2, a qual também apresenta a
simbologia para o diodo zener. O aspecto do mesmo se assemelha ao do diodo semicondutor de silício (estudado
no capítulo anterior) na maneira de identificar seus terminais (anodo e catodo), exceto que seu invólucro é de cor
mais clara (e não opaco).
1
Polarização Direta:
ε(volts)
0
0,5
1
2
3
4
5
I (mA)
0
0
0,13
1,11
2,07
3,10
4,10
Figura 4.2 – Diodo em polarização direta.
Abaixo, segue a tabela com as medidas de corrente para as respectivas medidas de tensão no circuito da
Figura 4.2, porém considerando o diodo zener de 4,7V polarizado reversamente. O diagrama do circuito é
mostrado na Figura 4.3.
Polarização Reversa:
ε(volts)
0
0,5
1
2
3
4
5
I (mA)
0
0
0
0,004
0,13
0,64
1,33
Figura 4.3 – Diodo em polarização reversa.
Do experimento com o diodo zener em polarização direta, vemos que tal passa a conduzir corrente
somente próximo aos 0,7V, tal como a tensão de limiar de um diodo semicondutor de silício típico. Já com o
diodo zener em polarização reversa, quase não houve condução significativa de corrente, como era de se esperar.
Regulação de Tensão
Sendo o diodo zener um denominado diodo regulador de tensão, em funcionamento normal, você tem
que reverter a polarização do diodo zener, conforme vimos antes. Além disso, para produzir a ruptura, a tensão
da fonte deve ser maior do que a tensão zener de ruptura VZ. Neste caso, usa-se um resistor RS em série para
limitar a corrente zener num nível abaixo da sua especificação de corrente. Caso contrário, o diodo zener
queima.
Figura 4.4 – Circuito com o diodo em polarização reversa.
2
Com base na Figura 4.4, temos pela lei das malhas que a tensão pelo resistor em série RS é igual à
diferença entre a tensão da fonte e a tensão zener ( VS − VZ ). Portanto, a corrente que passa pelo resistor é
IS =
VS − VZ
,
RS
(4.1)
sendo esta também a corrente do diodo zener.
Especificações Máximas
A potência dissipada em um diodo zener é igual ao produto da sua tensão pela sua corrente, isto é,
PZ = VZ ⋅ IZ .
(4.2)
Desde que PZ seja menor do que a especificação de potência, o diodo zener pode funcionar na região de
ruptura sem ser destruído. Os diodos zener comercialmente disponíveis têm especificações de potência que
variam de 1/4W até mais de 50W. A potência máxima PMZ que um diodo pode suportar está relacionada com sua
corrente máxima IZM pela relação
PMZ = VZ ⋅ IMZ .
(4.3)
Resistência Zener
Quando um diodo zener está funcionando na região de ruptura, um aumento na corrente produz um
ligeiro aumento na tensão. Isto implica que o diodo zener tenha uma pequena resistência chamada de resistência
zener RZ ou impedância zener ZZ.
Figura 4.5 – Resistência zener.
Um regulador zener é quase ideal quando satisfaz estas duas condições: RZ ≤ 0,01 ⋅ RS e
RZ ≤ 0,01 ⋅ RL . Na primeira condição ( RZ ≤ 0,01 ⋅ RS ), o regulador zener reduz as variações de tensão da fonte,
incluindo a ondulação. Na segunda condição ( RZ ≤ 0,01 ⋅ RL ), o regulador zener apresenta-se para a carga como
se fosse uma fonte de tensão quase ideal.
3
Aproximações para o Diodo Zener
Há duas aproximações para o diodo zener. Na primeira aproximação, um diodo zener funcionando na
região de ruptura se comporta como uma bateria ideal. Em um circuito, isto significa que você pode substituir
mentalmente um diodo zener por uma fonte de tensão VZ, desde que o diodo esteja funcionando na região de
ruptura. Em uma segunda aproximação, consideramos uma resistência zener (relativamente pequena) em série
com uma bateria ideal. Esta resistência produz uma queda de tensão cada vez maior à medida que a corrente
aumenta. A Figura 4.6 ilustra essas aproximações.
Figura 4.6 – Aproximações zener.
O Regulador Zener
O circuito da Figura 4.7 mostra um diodo zener usado para regular a tensão através da resistência de
carga RL.
Figura 4.7 – Circuito com regulador zener.
Isto parece mais complicado, pois o circuito tem duas malhas, ao contrário dos anteriores. Porém, a idéia
básica é a mesma: o diodo zener funciona na região de ruptura e mantém a tensão de carga praticamente
constante. Para estes casos, usamos as seguintes relações:
1) Tensão Thevenin: para o funcionamento na região de ruptura do diodo zener, VTH deve ser maior do que
VZ. A tensão Thevenin VTH é dada por
VTH =
RL
⋅ VS .
RS + RL
(4.4)
2) Corrente em Série: a corrente através do resistor em série é dada por
4
IS =
VS − VZ
.
RS
(4.5)
VL
.
RL
(4.6)
3) Corrente de Carga: como VL ≈ VZ , então:
IL =
4) Corrente Zener: pelo fato do circuito ser composto de duas malhas, a corrente em série se divide na
junção entre o zener e o resistor de carga. Assim:
IZ = IS − IL .
(4.7)
Ponto de Desligamento do Zener
O pior caso de funcionamento do diodo zener ocorre quando trabalhamos com a tensão mínima da fonte
e a corrente máxima de carga, porque a corrente zener cai para um mínimo. Neste caso, usamos
RS (max) =
VS (min) − VZ
,
IL (max)
(4.8)
na qual RS(max) é o valor crítico da resistência em série, VS(min) é a tensão mínima da fonte, VZ é a tensão zener e
IL(max) é a corrente de carga máxima.
A resistência crítica RS(max) é a máxima resistência em série permitida. A resistência em série RS deve ser
sempre menor que o valor crítico. Caso contrário, se perde o funcionamento na região de ruptura e o regulador
pára de funcionar.
EXEMPLOS
1. Dado o circuito pede-se:
Vs = 30V
Vz =12V
Rs = 500Ω
RL = 1kΩ
a) Mostrar que o zener liga.
Para o funcionamento correto do diodo zener como regulador de tensão, a tensão Thevenin VTH deve
ser maior do que VZ. Logo,
VTH =
RL
1kΩ
30V
⋅ VS =
⋅ (30V ) =
= 20V .
RS + RL
1kΩ + 0,5kΩ
1,5
Como VTH > Vz, o zener liga.
5
b) Qual o valor da corrente de carga?
IRL =
VRL Vz 12V
=
=
= 12mA
RL RL 1kΩ
c) Qual a potência do zener?
Pz = Vz ⋅ Iz
Mas Iz = ?
Pela 1ª Lei de Kirchhoff:
IT = Iz + IRL
Mas IT é igual a IRS. Logo,
IT = IRs = Iz + IRL
Assim:
Iz = IRs − IRL
Mas IRS = ?
Pela 2ª Lei de Kirchhoff:
Vs = VRS + Vz
Vs = Rs ⋅ IRS + Vz
Vs − Vz = Rs ⋅ IRS
Rs ⋅ IRS = Vs − Vz
IRS =
Vs − Vz 30V − 12V
18V
=
=
= 36mA
Rs
500Ω
0,5kΩ
Agora,
Iz = 36mA − 12mA = 24mA
Portanto,
Pz = (12V ) ⋅ (24mA) = 288mW .
2. Dado o circuito, pede-se:
6
Vs = 20V a 30V
Vz = 15V
RL = 100Ω a 500Ω
Qual o valor de Rs?
Sabemos que Rs deve ser menor do que Rsmax, que é o valor crítico do resistor série, o qual é
determinado por
RS (max) =
VS (min) − VZ
IRL (max)
Pelos dados fornecidos, vemos que:
Vsmin = 20V; Vsmax = 30V; Vz =15V; RLmin = 100Ω; RLmax = 500Ω.
Mas IRLmax = ?
IRL (max) =
VRL
Vz
15V
=
=
= 0,15 A = 150mA
RL (min) RL(min) 100Ω
Logo,
RS (max) =
VS (min) − VZ 20V − 15V
5V
=
=
= 33,33Ω
IRL (max)
0,15 A
0,15 A
Como Rs < Rsmax, o valor padrão imediatamente abaixo deste é de 27Ω. Mas também, poderíamos usar
até mesmo um de 22Ω. Portanto:
Rs = 27Ω ou, ainda, Rs = 22Ω .
Diodo Emissor de Luz - LED
O diodo emissor de luz, conhecido como LED1, tem uma curva tensão versus corrente semelhante a de
um diodo de silício atuando na região direta e reversa. A principal diferença é que a tensão de joelho do LED
tipicamente varia entre 1,5V a 2,5V para baixas correntes, entre 10mA e 50mA. Isto porque esta faixa produz luz
o suficiente para a maioria das aplicações. A queda de tensão exata depende da corrente e da cor deste
componente. Alguns exemplos de leds coloridos (de 5mm aproximadamente) são mostrados na Figura 4.8, bem
como alguns detalhes técnicos e aspecto dos mesmos.
1
Do inglês light emitting diode.
7
(a)
(b)
Figura 4.8 – (a) LEDs coloridos. (b) Detalhes da construção do mesmo e alguns aspectos.
Num diodo com polarização direta, a medida que os elétrons caem de um nível mais alto de energia para
um mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns essa energia é dissipada na forma de calor. Mas no
diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs, componentes optoeletrônicos,
substituíram as lâmpadas incandescentes em várias aplicações devido a sua baixa tensão, vida longa e rápido
chaveamento liga-desliga.
Abaixo, segue a tabela com os valores de corrente medidos para os respectivos valores de tensão e o
esquema elétrico do circuito usado numa experiência com um diodo emissor de luz (LED) de cor vermelha, um
resistor de 1kΩ / 1/4W e uma fonte de tensão variável. No símbolo esquemático do LED, as setas indicam a luz
irradiada.
Polarização Direta:
ε(volts)
0
1
1,5
2
3
4
5
6
I(mA)
0
0
0,01
0,25
1,16
2,13
3,13
4,00
Figura 4.9 – Circuito com LED polarizado diretamente.
8
Polarização Reversa:
ε(volts)
0
1
1,5
2
3
4
5
6
I(mA)
0
0
0
0
0
0
0
0
Figura 4.10 – Circuito com LED polarizado
reversamente.
A corrente do LED em polarização direta, no circuito da Figura 4.9 pode ser determinada por:
I LED =
ε − VLED
R
,
(4.9)
onde ε é a fem da fonte e VLED é a tensão do LED.
Em um diodo com polarização direta, a medida que os elétrons caem de um nível mais alto de energia
para um mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns essa energia é dissipada na forma de calor. Mas
no diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs, componentes optoeletrônicos,
substituíram as lâmpadas incandescentes em várias aplicações devido a sua baixa tensão, vida longa e rápido
chaveamento liga-desliga.
Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a passagem da luz. Os LEDs são
diferentes. Usando-se elementos como o gálio, o arsênio e o fósforo, um fabricante pode produzir LEDs que
irradiam no vermelho, no verde, no amarelo, azul, laranja ou infravermelho (invisível).
Orientação para Projeto com LED
O brilho de um LED depende da corrente. Idealmente, a melhor forma de se controlar o brilho de um
LED é vincular este a uma fonte de corrente. A melhor maneira de se obter uma fonte de corrente é uma fonte de
elevada tensão seguida de um resistor em série apropriado.
Se você tiver que fazer algum projeto, precisa consultar as folhas de dados, porque as tensões do LED
têm uma grande tolerância. Quanto maior a fonte de tensão, menor o efeito que VLED produz.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1. Dado o circuito pede-se:
Vs = 20V; Vz =10V; Rs = 100Ω; RL = 200Ω
a) Mostrar que o zener liga.
b) Qual o valor da corrente de carga?
c) Qual a potência do zener?
9
2. Dado o circuito pede-se:
Vs = 22V a 40V; Vz =15V; Rs = 1kΩ a 50kΩ.
Qual o valor de Rs?
3. Dado o circuito pede-se:
Vs = 40V; Vz = 10V; Rs = 1,5kΩ; RL = 10kΩ
Qual o valor de VRL se:
a)
b)
c)
d)
O zener estiver em curto?
O zener estiver aberto?
Rs estiver aberto?
RL estiver em curto?
4. Dado o circuito pede-se:
Vs = 13V; Vz = 10V; RL = 2k2
a) Qual o valor de Rs?
b) Qual a potência do zener Pz e do resistor em série
PRS?
5. Dado o circuito pede-se:
Vs = 15V; Vz = 5,1V; RL = 180Ω
a) Qual o valor de Rs, Pz, PRS e PRL?
b) Se Rs = 15Ω, qual o novo valor de Iz e Pz?
6. Dado o circuito pede-se:
Vs = 9V; Vz = 6,2V; IL = 100mA
Qual o valor de Rs?
7. Dado o circuito pede-se:
Vs = 24V
Vz = 7,5V
VLED = 2V
RL = 180Ω
Qual o valor de Rs, PRS, IL, PRL e Pz?
10
8. Dado o circuito pede-se:
V1 = 220Vac; V2 = 15Vac; Vz =12V; RL = 200Ω a 500Ω; f1 = 60Hz; VD1 = VD2 = VD3 = VD4 = 0,7V;
Considerar os efeitos do Vond na tensão cc do circuito.
a) Qual o valor de Rs?
b) Qual o valor de C?
c) Qual o valor de corrente limite para o fusível?
RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
a) liga; b) 50mA; c) 500mW;
390Ω;
a, c, d) 0; b) 34,78V;
a) 560Ω; b) PRS = 16,1mW e Pz = 8,12mW;
a) Rs = 330Ω, Pz = 8,5mW, PRS = 297mW e PRL = 144,5mW; b) Iz = 632mA e Pz = 3,22W;
22Ω;
Rs = 470Ω; PRS = 579mW; IL = 30,5mA; PRL = 168mW; Pz = 34,13mW;
a) 100Ω; b) 265µF c) 5,5mA.
11