Baixe Relatório de eletrônica analógica - Curva característica do diodo e outras Trabalhos em PDF para Eletrônica Analógica, somente na Docsity!
RELATÓRIO ELETRÔNICA ANALÓGICA - DIODOS
DENISON R. SILVA, GUSTAVO MOURA P, LUAN IMAMURA
Laboratório C16, Departamento de engenharia elétrica, IFSP- Campus Piracicaba Rua Diácono Jair de Oliveira, Santa Rosa, Piracicaba-SP
E-mails: denisonrodrigo494@gmail.com; gustavopereira0@yahoo.com; imamura.luan@gmail.com;
Resumo ⎯ Este experimento consiste em analisar circuitos elétricos com diodo operando em corrente contínua. Obter, analisar e discutir a curva característica do diodo nos circuitos proposto.
Palavras-chave : Analisar, Diodo, curva característica
1 Introdução
O diodo é um semicondutor com dois terminais que só conduz corrente elétrica em somente um sentido, em função da sua polarização. Pode ser analisada graficamente, o comportamento deste componente, analisando a sua curva característica. O comportamento dessa curva relaciona ao tipo de polarização do diodo, polarizado diretamente ou reversamente.
2 Fundamentação Teórica
O diodo é um semicondutor com dois terminais que só conduz corrente elétrica em somente um sentido. Para isso ser possível, ele é constituído por uma junção PN, uma estrutura básica dos semicondutores que permite essa propriedade. Observe na Figura 1 simbologia do diodo e seus terminais: Ânodo e Cátodo.
Figura 1. Simbologia de um Diodo semicondutor.
O diodo só conduz em um sentido, quando ele é polarizado no sentido correto, isto é, diretamente polarizado a corrente passa normalmente, porém com uma pequena queda de tensão. Ela fica em torno de 0.7 volts, caso for um diodo de silício. Veja o exemplo da Figura 2, um diodo polarizado diretamente
Figura 2. Circuito com Diodo polarizado diretamente.
Perceba que para o diodo conduzir diretamente a corrente que passa por ele tem que entrar pelo terminal Anodo. Caso contrário, se a corrente entrar pelo cátodo dizemos que o diodo está polarizado reversamente ou bloqueado. E o diodo somente passa a conduzir quando a tensão aplicada é maior que a tensão de queda do componente.
Figura 3: Diodo polarizado reversamente
Como em um circuito a corrente sai da fonte do polo positivo a encontro do polo negativo, obedecendo esse sentido no circuito da Figura 3 a corrente entra pelo cátodo, logo o diodo está bloqueado. Quando o diodo fica reversamente polarizado, toda tensão da fonte fica sobre ele, e a corrente não circula no circuito. Ou seja, o comportamento será de um circuito aberto.
Veremos a diferença graficamente entre os dois tipos de polarização na Figura 4.
Figura 4. Curva característica do Diodo de silício. Uma tensão positiva significa que o diodo está com polarização direta. Uma tensão negativa significa que o diodo está operando com polarização reversa.
A Figura 4 mostra a Curva característica I-V que é um gráfico que representa a relação entre a tensão aplicada e a corrente fluindo através de um componente, circuito ou material. E é possível fazer esta análise em um circuito simples com diodo.
Na Figura 4. Mesmo quando o diodo está polarizado diretamente ele só conduz quando a tensão de queda V0 nele é maior que os 0,7 volts. Com isso, o diodo conduzindo diretamente o gráfico I-V passa a ser de um formato exponencial.
Perceba também, que quando o componente é polarizado inversamente, ou seja, tensão é negativa, ele não conduz até que chega em seu limite, que no gráfico está nomeada “VBR”, onde ele entra em curto e passa a conduzir toda a corrente e entra em uma região zener.
A curva de I-V de um diodo é modelada pela seguinte equação não-linear:
id=is × ( e )
V d
n × V t − 1
Equação 1
3 Procedimento Experimental
3.1) O primeiro experimento realizado foi sobre a curva característica do diodo. Para realizá-lo foram utilizados:
- 2 multímetros;
- 1 diodo retificador 1N4007;
- 1 resistor de 1 kΩ;
- 1 protoboard;
- 1 fonte de tensão DC simétrica ajustável;
O circuito foi montado na protoboard seguindo o esquemático abaixo:
Figura 4. Esquema elétrico do circuito utilizado no experimento
Ao energizar o circuito, a fonte foi ajustada com valores entre -15 e +15 V, anotando a tensão e corrente no diodo em cada ponto ajustado.
Ao finalizar as medições, os valores de tensão e corrente no diodo foram colocados em uma tabela e assim foi plotado o gráfico Id x Vd do diodo utilizado.
Com estes mesmos dados e com a equação 1 em mãos, com auxílio do complemento “Solver” para o software Microsoft Excel®, foram também determinados os valores de “Is” e “n” para este diodo.
3.2) Para o segundo experimento, foram utilizados:
- 1 Fonte DC de 5V;
- 2 Multímetros;
- 1 Diodos retificador 1N4007;
- 1 Resistor de 1 kΩ;
Para este experimento os seguintes circuitos foram montados, respectivamente:
Figura 5. Diodo diretamente polarizado
Com estes valores foi possível plotar o seguinte gráfico sobre a relação de Id x Vd:
Figura 11. Curva característica do diodo com valores experimentais
Com estes resultados é possível observar que a curva característica obtida no experimento é bem semelhante ao esperado pela teoria, com a exceção de VBR que, no diodo 1N4007, é de aproximadamente 1000V (Tensão DC), a qual não foi possível testar com os materiais disponíveis no laboratório.
Com isto, restou apenas determinar os valores de “Is” e “n”para o diodo medido. Com o auxílio da equação 1 e do “Solver” no “Excel®”, os valores obtidos para “n” foram sempre “1”, enquanto os valores de “Is” foram decrescendo conforme Id e Vd cresciam. Embora os valores obtidos para Is estejam dentro do que a teoria diz como aceitável, na ordem de 10^12 a 1015 A, “n” ser considerado “1” para todos os casos não parece que estar correto, porém são 2 valores difíceis de se encontrar mesmo na teoria, onde em muitos textos são apenas mencionados e/ou tem seus seus valores entregues para realização de exercícios, então acaba se tornando complicado tirar uma conclusão destes resultados, pois devido a dificuldade de se comprovar seus valores, tanto “Is” quanto “n” deste diodo estão certos e errados ao mesmo tempo (diodo de Schrödinger?), talvez tentar estes valores novamente através de um segundo algoritmo, como um algoritmo genético, possa levar a resultados diferentes dos obtidos neste experimento. Apesar das dúvidas, “n” acabou definido como “1” e Is, devido a seu valor ser decrescente conforme Id cresce, foi obtida uma média de suas leituras e, portanto, “Is” foi definido com o valor de “3,73 x 10-13^ A”, o que é, de acordo com a teoria, um valor aceitável.
Figura 12. Tabela com os valores de utilizados no cálculo de “Is” e “n”; as constantes presentes na Equação 1 e Vt foram omitidas propositalmente (Havia uma coluna para cada variável da Equação 1) na visualização desta tabela para que coubessem neste relatório.
No experimento 3.2, ao analisar as medições do circuito “A”, foi observado que, ao ser polarizado diretamente, o diodo conduziu corrente para a carga de 1kΩ onde, embora causando uma queda tensão de 0.652 V, operou como uma chave fechada no circuito. Além disso, se olharmos a primeira tabela do experimento 3.1, é possível observar que tanto a tensão de 0.652 V quanto a corrente de 4.31 mA no diodo, que obtidos neste experimento, tem valores bem similares aos encontrados anteriormente para o diodo ligado a uma fonte DC de 5V e também a um resistor de 1kΩ, logo o diodo está operando da forma que esperávamos que ele operasse neste circuito: uma chave fechada, que causa uma queda de tensão de cerca de 0.7 V no circuito quando polarizado diretamente. Já no circuito “B” o diodo foi polarizado reversamente no circuito, o que faz com que a tensão Vd no diodo seja igual a tensão da fonte (5 V) e que nenhuma corrente esteja circulando pelo circuito, ou seja, o diodo está operando como uma chave aberta no circuito, exatamente o que esperávamos dele estando reversamente polarizado.
Figura 13. Valores medidos no experimento 3.
No experimento 3.3, ao realizar os testes e gerar as tabelas-verdade dos circuitos “1” e “2”, chegamos no seguintes resultados:
Figura 14. Tabela verdade do circuito “1”
Figura 15. Tabela verdade do circuito “2”
No circuito 1, podemos notar pela sua tabela-verdade, que este é um circuito equivalente a uma porta lógica E (AND). Já no circuito “2”, o circuito é o equivalente a uma porta lógica OU (OR). Porém o destaque deste experimento está nos níveis lógicos dessas portas. Como são circuitos compostos por diodos de silício, a queda de tensão do próprio diodo afeta a saída da porta por conta da sua queda de tensão de cerca de 0.7V que causa 2 efeitos diferentes em cada uma dessas duas portas: Na porta E (circuito “1”), observa-se que o nível lógico baixo da porta passa a ser representado por cerca de 0. V, enquanto o nível lógico alto da porta são 5V sem quedas de tensão, pois representam uma situação em que os diodos estão operando em corte. Na porta OU (circuito “2”), essa situação acaba se inverte, então o nível lógico baixo passa a ser 0V, pois é o único caso em que os diodos estão operando em corte, e o nível lógico alto passa a ser cerca de 4.351 V.
Este último experimento comprova a possibilidade de se utilizar circuitos de portas lógicas compostos por diodos e resistores, no entanto é uma tecnologia que depende de uma compensação da queda de tensão no diodo de uma forma diferente em cada porta para operar sem erros e consome bastante energia para funcionar. Hoje em dia esta já é uma tecnologia ultrapassada na eletrônica digital, onde são preferidas tecnologias como CMOS e a TTL.
5 Conclusão
Basicamente, estes experimentos realizados no laboratório apenas reforçaram a teoria já vista em sala de aula. Os valores teóricos diferem ligeiramente dos valores práticos, mas isso se deve a diversos motivos que, inclusive são previstos em laboratório, como as tolerâncias dos resistores, as tolerâncias dos
equipamentos de medição, a própria fabricação dos diodos é incapaz de fabricar diodos ideais, que é o modelo utilizado na parte teórica. No entanto, apesar de todas essas imperfeições do mundo real, as curvas características de cada diodo são semelhantes à do modelo teórico, a forma de funcionamento do diodo real é semelhante à esperada pelo modelo teórico, etc. Por conta disso podemos concluir que nossos resultados neste relatório corroboram a fundamentação teórica pois compartilham de todas as semelhanças necessárias ao modelo teórico para que sejam considerados válidos.
Referências Bibliográficas
Diodo – O que é, tipos e aplicações. Athos electronics .2019.Disponível em:https://athoselectronics.com/diodo/. Acesso em: 08, setembro, 2019.
Boylestad, Robert L (2004). Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. Pearson Prentice Hall; pp. 1-51.
