Lab Eletronica 1 Relatório Prática 02

RELATÓRIO PRÁTICA 02

CIRCUITO COM DIODOS

Disciplina: Laboratório de Eletrônica 01 Professor: Marcílio Feitosa

Turma: EA

Alunos: Breno Tiburcio Matos

Edilson Ricardo Marques Ferreira Jânsle Fernandes

1 - Introdução

O diodo é o elemento de circuito não linear mais simples, feito de junções PN semicondutoras. A aplicação mais comum é em circuitos retificadores, mas pode ser usado de diversas formas, inclusive em circuitos lógicos.

2 - Revisão

Diodo de Junção PN é o dispositivo semicondutor constituído pela união de uma barra de material tipo P com uma barra de material tipo N. A fronteira entre estes matérias é camada de junção PN.

FIGURA 2.1 – Diodo de Junção

2.1 – Diodo sem polarização externa

Na figura 2.2 está desenhada a estrutura atômica de uma junção PN, onde aparecem os átomos de uma impureza de cada material. O símbolo “+” do material P representa a lacuna associada à impureza aceitadora. Ao ser preenchida esta lacuna o átomo de impureza ganha um elétron, tornando-se um íon negativo, razão pela qual foi representado como mostra a figura 2.2.

O símbolo “-” no material N representa o elétron da impureza doadora, que não compartilha nenhuma ligação covalente. Ao perder este elétron o átomo de impureza torna-se um íon positivo, razão pela qual foi representado como mostra a figura 2.2.

Ao se formar a junção, existe uma grande concentração de lacunas do lado P e uma grande concentração de elétrons do lado N. Pelo processo de difusão, lacunas do lado P e elétrons do lado N atravessam a junção, recombinando-se em suas proximidades e originando uma região vazia de portadores de carga (lacunas e elétrons). Esta região de depleção e apresenta cargas positivas de um lado e negativas do outro. Estas cargas geram um campo elétrico, que se opõe à movimentação de portadores através da junção. O efeito associado a este campo é chamado de Barreira de Potencial. Do que foi dito, conclui-se que a corrente resultante em um diodo sem polarização externa é nula.

2.2 – Diodo de junção diretamente polarizado

Polarizar um diodo significa aplicar a seus terminais uma diferença de potencial em um nível conveniente. A figura 2.3 mostra um diodo polarizado diretamente. Observe que o terminal negativo está ligado ao lado N do diodo e o terminal positivo ao lado P.

FIGURA 2.3 – Diodo com polarização direta

Lacunas do lado P são repelidas pelo terminal positivo da fonte e atravessam a junção, sendo atraídas pelo terminal negativo. Elétrons do lado N são repelidos pelo terminal negativo da fonte e atravessam a junção, sendo atraídos pelo terminal positivo. Este fluxo de portadores majoritários através da junção é chamado de corrente direta.

A polarização direta diminui a barreira de potencial, pois provoca a presença de portadores na região da junção, facilitando o fluxo de cargas, ou seja, diminuindo a resistência que a junção oferece à passagem de corrente. Sendo assim, um diodo diretamente polarizado funciona aproximadamente como um

curto-circuito.

2.3 – Diodo de junção inversamente polarizado

FIGURA 2.4 – Diodo com polarização reversa

Neste tipo de polarização, ver figura 2.4, os elétrons do lado N são atraídos para o terminal positivo da fonte e as lacunas do lado P, são atraídas para o terminal negativo, não havendo fluxo de cargas através da junção. A Barreira de Potencial (BP) aumenta em virtude dos portadores serem afastados da região da junção, resultando em uma alta resistência à passagem de corrente.

Se o material fosse ideal, não haveria nenhuma corrente no circuito e este ficaria representado como se estivesse aberto na região do diodo. No entanto, isto não ocorre na realidade, pois haverá uma pequena corrente, formada pelos portadores minoritários da junção.

As lacunas do lado N, são repelidas pelo terminal positivo da fonte e atravessam a junção. Da mesma forma, os elétrons do lado P atravessam a junção, uma vez que são repelidos pelo terminal negativo da fonte. A corrente que é formada nesse processo é denominada corrente reversa de saturação ou simplesmente

corrente de fuga e é muito pequena, já que a quantidade de portadores minoritários produzidos pela agitação

térmica, é desprezível com relação ao número de portadores gerados pelo processo da dopagem. Sendo assim, na maioria das vezes essa corrente pode ser desprezada e o diodo passa a se comportar como uma chave

aberta quando polarizado inversamente. 2.4 – Corrente reversa de saturação

Abaixo é feita uma comparação entre a corrente direta e a corrente reversa nos diodos de silício e germânio para as correntes diretas da ordem de miliamperes.

CORRENTE DIRETA _SILÍCIO CORRENTE REVERSA _GERMÂNIO Ordem de Miliampere (mA) Nanoampere (nA) Microampére (µµµA) µ

Observe que, realmente, a corrente reversa é desprezível diante da corrente direta, principalmente em diodos de silício.

Ainda a respeito da corrente reversa, é importante se saber que ela é muito sensível a aumentos de temperatura. Para cada aumento de 10oC ela dobra o seu valor. Em aplicações que levam o diodo a uma temperatura elevada, esta corrente cresce muito devendo ser levado em conta o seu efeito no comportamento do dispositivo.

2.5 – Símbolo do diodo

As figuras abaixo, mostram o símbolo e as formas de polarização do diodo.

(a) (b) (c)

FIGURA 2.5 – (a)Representações do diodo (c) Polarização direta (b) Polarização inversa

2.6 – Características volt-ampére do diodo

A característica volt-ampére é um gráfico da corrente versus a tensão do diodo e ilustra o seu comportamento em um circuito eletrônico.Ver figura 2.6

FIGURA 2.6 – Característica operacional do diodo e região zener de operação

O gráfico 2.6 é dividido em duas partes. No primeiro quadrante (tensão positiva) está representada a região de polarização direta. No segundo quadrante (tensão negativa) está representada a região de

polarização inversa.

Analisando a característica volt-ampére observamos que, mesmo polarizado diretamente, o diodo só começa a conduzir quando a tensão nos seus terminais atinge um determinado valor Vα chamado de tensão

de limiar. A partir deste instante o diodo mantém em seus terminais esta mesma tensão independente das

variações da corrente que percorre. A característica mostra claramente que, mesmo a corrente crescendo abruptamente, a tensão permanece aproximadamente em Vα. No diodo de silício Vα é 0.7V e no diodo de germânio Vα é 0.6V.

O circuito da figura 2.7 é usado para dar uma visão melhor do comportamento do diodo em um circuito eletrônico.

FIGURA 2.7 – Efeito da tensão de limiar

Suponhamos que o diodo seja de silício e que a tensão de polarização V seja menor do que 0.7V. Neste caso, o diodo não conduz e a corrente através dele é nula. Se V for maior do que 0.7V, 10V por exemplo, o diodo conseguirá conduzir e a tensão em seus terminais será de 0.7V, aparecendo os 9.3V restantes na carga. Aumentado a tensão aplicada no circuito, a tensão no diodo não vai ser alterada, permanecendo de 0.7V e a tensão da carga continuará sendo reduzida da tensão do diodo.

De acordo com a característica, o diodo polarizado inversamente, tem corrente praticamente nula. Aumentando-se a tensão inversa de polarização até um determinado valor Vz , chamado tensão zener ou

tensão de ruptura, a corrente reversa aumenta abruptamente, atingindo valores elevados, que podem

danificar o dispositivo. Existem dois tipos de ruptura, a ruptura por efeito zener e a ruptura por efeito

avalanche.

Ruptura por efeito avalanche – Ocorre para valores maiores que Vz. A tensão inversa nos terminais do diodo comunica aos portadores minoritários, energia cinética suficiente para que eles, através de colisões, quebrem ligações covalentes, libertando elétrons de valência que, por sua vez, vão colidir com outros átomos, gerando mais portadores de carga. Depois de algum tempo a quantidade de portadores aumenta tanto que a corrente reversa se torna considerável.

Ruptura por efeito Zener – Neste caso, o campo elétrico da junção PN, por tornar-se muito elevado, é quem quebra as ligações covalentes , gerando cada vez mais portadores minoritários, até que a corrente reversa cresça consideravelmente.

+ V1 1V _1N4004D1 R1 1k R2 1k + V3 6V _1N4004D2 D2 DIODE D1 DIODE + V1 5V R1 1k Cálculos utilizados na experiência

.

Vr = Vi - Vd

3 -Procedimentos Experimentais

1º Experimento

Foi Montado o circuito abaixo(fig a) para verificação dos valores de tensão e corrente no circuito. Depois de realizados os procedimentos anteriores, foi invertida a fonte de tensão (fig b) e realizada as mesmas

medições.

Valores medidos: Vs: tensão da Fonte Vr: Tensão na resistência Vd: Tensão no diodo Ic: Corrente no circuito

Fig a Fig b

2º Experimento

Foi realizado o experimento de criação de porta lógica com uso de diodos, para este experimento foi utilizado 2 diodos nas entradas da porta lógica conforme o circuito apresentado na fig. C.

Fig. C

Fig. c

A

Resultado Experimental

1º experimento

Foram utilizados os seguintes materiais: 1 Resistência de 1K com precisão de 5% 1 Diodo retificador tipo 4007

1 Fonte de tensão Yokogawa 2 Multímetro digital Minipa

O circuito foi montado utilizando uma fonte padrão Yokogawa para fornecimento de tensão e 2 multímetros minipa (1 para medição de tensão em Voltes e 1 para medição de corrente em mA), foi medida a tensão em cima da resistência de 1K e calculada a corrente do circuito, a qual também foi medida pelo 2º multímetro.

Fig d.

Montagem do circuito

Para plotagem do gráfico Corrente x Tensão no diodo foi utilizado os cálculos de corrente obtidos dividindo a tensão na resistência pelo valor em ohms da mesma, como o os componentes estão em série a corrente que passa no resistor é a mesma que passa no diodo.

Ic= Vr / R1

Fig e. Esquema da medição da tensão no diodo

DC V 3.362 V D1 1N4007 + V1 4V R1 1k A DC V 638.0mV D1 1N4007 + V1 4V R1 1k

Tendo em mãos os valores de tensão do diodo e sua corrente em determinado valor de tesão fornecida pela fonte, utilizamos os recursos do Excel para plotagem do gráfico destes valores.

Tabela com conteúdo dos valores obtidos em ensaio.

Gráfico da tensão x corrente no diodo.

Neste experimento foi mostrado que o diodo real tem uma curva característica de funcionamento, que após uma corrente superior a 6 mA, o mesmo mantém constante uma tensão próxima a 0,7 V em seus terminais, quando polarizado diretamente.

V Fonte V Diodo I circuito (mA) V resistor

-6 -6 0 0 -5 -5 0 0 -4 -4 0 0 -3 -3 0 0 -2 -2 0 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0,02 0,02 0 0 0,04 0,04 0 0 0,08 0,08 0 0 0,1 0,1 0 0 0,3 0,297 0,001 0,001 0,5 0,454 0,045 0,045 0,7 0,517 0,18 0,18 0,9 0,548 0,349 0,349 1 0,558 0,438 0,438 2 0,61 1,38 1,38 3 0,635 2,348 2,348 4 0,652 3,325 3,325 5 0,665 4,305 4,305 6 0,675 5,289 5,289 Tensão Vd x Corente Id -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 -5,5 -5 -4,5 -4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 Tensão - Vd - Volts C o rr e n te I d ( m A )

Concluindo assim que a tensão para romper a barreira de depleção é aproximadamente 0,7 V em cima dos terminais do diodo.

2º Experimento

Foram utilizados os seguintes materiais: 1 Resistência de 1K com precisão de 5% 2 Diodo retificador tipo 4007

1 Fonte de tensão Yokogawa 1 Osciloscópio digital tektronics

O circuito foi montado utilizando uma fonte padrão Yokogawa para fornecimento de tensão e 1 multímetros minipa para medição de tensão de saída da porta lógica.

Fig. f : Esquema de montagem do circuito

Fig g. foto da medição de saída da porta lógica (medição realizada pelo osciloscópio) A B DC V NO DATA D2 1N4007 D1 1N4007 + _V1 4V R1 1k c

O circuito teve 4 estados para serem medidos, os quais são obtidos pela combinação dos sinais inseridos nas entradas da porta lógica, conforme é descrito na tabela a seguir.

A B

5V

5V

5V 5V

Ao realizar a seqüência dos estados identificados acima tivemos os seguintes resultados:

A B C ~0,65V 5V ~0,65V 5V ~0,65V 5V 5V 5V

Resultados Simulados

Fonte com -6V Fonte com -4V

+ V1 2V DC V -2.000 V DC A -22.55nA D1 1N4007 R1 1k + V1 1V DC V -1000.0m DC A -12.55nA D1 1N4007 R1 1k

+ V1 0.02V DC V 20.00mV DC A 1.617nA D1 1N4007 R1 1k + V1 0.08V DC V 79.99mV DC A 13.18nA D1 1N4007 R1 1k

Fonte com 0,02 V Fonte com 0,08 V

+ V1 0.2V DC V 199.8mV DC A 210.1nA D1 1N4007 R1 1k + V1 0.3V DC V 298.1mV DC A 1.851uA D1 1N4007 R1 1k

Fonte com 0,2 V Fonte com 0,3V

+ V1 0.5V DC V 448.6mV DC A 51.40uA D1 1N4007 R1 1k + V1 0.8V DC V 524.6mV DC A 275.4uA D1 1N4007 R1 1k

Fonte com 0,5 V Fonte com 0,8V

+ V1 1V DC V 547.1mV DC A 452.9uA D1 1N4007 R1 1k + V1 2V DC V 598.3mV DC A 1.402mA D1 1N4007 R1 1k

+ V1 4V DC V 638.0mV DC A 3.362mA D1 1N4007 R1 1k + V1 6V DC V 659.0mV DC A 5.341mA D1 1N4007 R1 1k

Fonte com 4 V Fonte com 6V

Com os resultados obtidos pela simulação temos o seguinte gráfico plotado.

V Fonte V Diodo I circuito (mA) V resistor

-6 -6 -0,000062 -0,000062 -4 -4 -0,000042 -0,000042 -2 -2 -0,000022 -0,000022 -1 -1 -0,000012 -0,000012 0,02 0,02 0,000001 0,000001 0,08 0,08 0,000013 0,000013 0,2 0,1998 0,000210 0,00021 0,3 0,298 0,001851 0,001851 0,5 0,448 0,054 0,054 0,8 0,524 0,275 0,275 1 0,547 0,452 0,452 2 0,598 1,402 1,402 4 0,638 3,362 3,362 6 0,659 5,341 5,341 Tensão Vd x Corente Id -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 -5,5 -5 -4,5 -4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 Tensão - Vd - Volts C o rr e n te I d ( m A )

2º Experimento A B C A B C 5V B A DC V 638.0mV D2 1N4007 D1 1N4007 + V1 4V R1 1k A B C 5V ~0,65V A B C 5V 5V 5V

Comparações

1) No 1 experimento o diodo apresentou uma barreira de depleção aproximadamente no valor de 0,7 V, tendo seu valor confirmado pela simulação.

2) No 1º experimento notamos tanto na bancada como no simulado que o diodo se comportou como chave aberta para tensões abaixo de 0,7 V.

3) Plotando o gráfico de tensão x corrente no diodo, notamos uma curva característica semelhante na experiência em bancada com o simulado, sendo mostrado que valores maior de 0,7 V nos terminais do diodo (curva ou joelho no gráfico)este se encontra como uma chave fechada, no qual teremos um valor contínuo de 0,7 em seus terminais. B A DC V 638.0mV D2 1N4007 D1 1N4007 + V1 4V R1 1k B A DC V 606.9mV D2 1N4007 D1 1N4007 + _V1 4V R1 1k B A DC V 4.000 V D2 1N4007 D1 1N4007 + _V1 4V R1 1k 5V 5V 5V 5V 5.

4) No 2º experimento temos combinações de entrada e 2 de saída.

• 1º caso: aterrando os pontos A e B simultaneamente temos na saída um valor de 0,65 V no ponto C, sendo este valor considerado digitalmente como 0 (zero)

• 2º caso: aterrando os pontos A e entramos com um valor de 5V no ponto B, tendo um sinal de saída um valor de 0,65 V no ponto C, sendo este valor considerado digitalmente como 0 (zero)

• 3º caso: aterrando os pontos B e entramos com um valor de 5V no ponto A, tendo um sinal de saída um valor de 0,65 V no ponto C, sendo este valor considerado digitalmente como 0 (zero)

• 4º caso: Alimentado os pontos A e B simultaneamente com 5V, temos na saída um valor de 5 V no ponto C, sendo este valor considerado digitalmente como 1 (Um).

Conclusões

Concluímos que os valores obtidos nos experimentos em bancada são muito próximos aos obtidos em simulação, sendo possível mostrar os efeitos no diodo quando este é polarizado direta e inversamente, como a evolução da sua barreira de potencial mediante a presença de tensão em seus terminais.

Também podemos concluir que polarizado diretamente com uma tensão(ddp) maior que 0,7 em seus terminais, o diodo se comporta como uma chave fechada. Porém com uma tensão menor que 0,7 em seus terminais ele se comportará como chave aberta.