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Eletrônica
Tipologia: Notas de estudo
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Quando um diodo comum (de retificação) está polarizado reversamente , diz-se que ele assume as características de um isolante. Sendo assim, o diodo, nestas condições, é associado a uma chave aberta e costuma-se dizer que não há corrente circulando no diodo.
Na verdade, existe uma pequena corrente elétrica chamada de reversa , que é formada por duas parcelas: uma é a corrente de saturação , formada pelo movimento dos portadores minoritários existentes nos cristais semicondutores devido à tensão reversa aplicada ao diodo - os portadores minoritários são continuamente produzidos graças à energia térmica constantemente aplicada ao diodo; sendo assim, esta parcela depende (apenas) da temperatura - ; outra parcela é a corrente de fuga superficial , formada por impurezas da superfície do diodo, que criam caminhos (trajetos ôhmicos) para a corrente percorrer – esta parcela depende (apenas) da tensão.
Se a tensão reversa for muito alta, aumenta-se o campo elétrico no qual os portadores minoritários estão submetidos. Isto resulta numa rápida aceleração destes portadores de carga, fazendo com que as cargas livres se choquem nos átomos. Com o choque, há uma liberação de energia forte o suficiente para criar novos portadores de carga, que também são acelerados, chocando-se também com outros átomos, repetindo o processo continuamente. Este EFEITO CASCATA é conhecido como efeito avalanche :
Este processo contínuo aumenta a corrente reversa muito rapidamente. Por causa da grande quantidade de elétrons livres, o diodo acaba se rompendo devido à potência dissipada, muito maior do que ele pode suportar.
No caso do diodo zener – uma homenagem a Clarence Zener, o primeiro que estudou o fenômeno da ruptura , no qual se baseia o funcionamento deste dispositivo – escolhe-se os materiais semicondutores e a porcentagem de dopagem de maneira que a ruptura do zener ocorra em até centenas de volts. Se controlarmos o valor da corrente elétrica - por exemplo com um resistor em série com o diodo zener
Pelo gráfico, podemos notar que a variação de VZ é muito pequena:
É comum encontrarmos dois modelos de trabalho para o zener:
1º) MODELO : IDEAL O zener se assemelha a uma fonte CC :
FIGURA 04: 1o^ MODELO
2º) MODELO : REAL O zener se assemelha a uma fonte CC em série com uma resistência ( resistência zener ):
FIGURA 05: 2o^ MODELO
VZ = VZB – VZA
IZ = IZB – IZA
Se utilizarmos o 2
o MODELO no circuito de polarização, teremos:
VRZA = RZ x IZA VRZB = RZ x IZB
VRZA = VZ + (RZ x IZA) VRZB = VZ +(RZ x IZB)
Igualando-se as duas equações através de VZ, teremos :
VZ = VRZA – (RZ x IZA) VZ = VRZB – (RZ x IZB)
VZB – (RZ x IZB) = VZA – (RZ x IZA) VZB – VZA = (RZ x IZB) – (RZ x IZA)
Se VZ = VZB – VZA e IZ = IZB – IZA , então : VZ = RZ x IZ
Circuito regulador sem carga
Para que o zener funcione adequadamente, ou seja, mantenha a tensão na saída constante, é necessário que ele opere na região zener, com todas as condições de funcionamento. Isto implica em :
IZ
VZ RZ
^ RZ é a resistência do zener, em ( ^ ), geralmente de valor baixo.
Circuito regulador com carga
Regulador Simples
Considerando-se o circuito abaixo, teremos as seguintes equações:
VE = VRS + VZ VRS = RS x IE IE = IZ + IRL
Podemos então fazer o seguinte :
VRS = VE – VZ VRS = RS x (IZ + IRL) RS x (IZ + IRL) = VE – VZ
Se VE variar , por exemplo, de VE 1 para VE 2 , teremos :
tensão da fonte VE 1 tensão da fonte VE 2
VE 1 = (RS x IE 1 ) + VZ VE 2 = (RS x IE 2 ) + VZ
VZ = VE 1 – (RS x IE 1 ) VZ = VE 2 – (RS x IE 2 )
Igualando-se as duas equações através de VZ, teremos :
VE 2 – (RS x IE 2 ) = VE 1 – (RS x IE 1 ) VE 2 – VE 1 = (RS x IE 2 ) – (RS x IE 1 )
VE 2 – VE 1 = RS x (IE 2 – IE 1 )
Z RL
E Z
VE = RS x IE
Ao substituirmos o diodo zener pelo 2o^ MODELO , teremos VZ = RZ x IZ. Se a carga RL não variar, IRL praticamente será constante. Então, se a corrente da fonte variar, a corrente no zener irá variar na mesma proporção ( IE IZ).
Sendo assim :
VE = RS x IE RS
VE IE
VZ = RZ x IZ RZ
VZ IZ
Se IE IZ, então :
onde VZ VS.
O projeto de um regulador zener pode ser resumido em determinar o valor do resistor RS, pois geralmente os dados referentes à fonte de tensão, ao diodo zener e à carga RL são conhecidos. Para que o zener funcione adequadamente, ou seja, mantenha a tensão na carga constante, o diodo deve funcionar na região zener, com todas as condições de funcionamento. Isto implica em :
Circuito regulador com tensão de entrada constante e carga fixa :
RS
RZ
VE
VZ
Circuito regulador com tensão de entrada variável e carga variável :
A corrente reversa de um diodo não depende só da tensão ; ela depende da temperatura também. E esta dependência entre tensão reversa e temperatura é um problema a ser analisado com bastante importância na hora de se construir um diodo zener, pois a alteração percentual na tensão zener em relação ao aumento da temperatura (em oC) é o próprio coeficiente de temperatura, (medido como função da corrente através do diodo), podendo ser POSITIVO ou NEGATIVO.
PZMÁX = IZMÁX x VZ
IZMÍN = IZMÁX x 0,
IZ
VZ RZ
DADOS: FÓRMULAS: CALCULAR:
a) PZ = 200 mW ; b) PZ = 450 mW ; c) PZ = 50 mW ; d) PZ = 37,5 mW ;
a) RS = 200 ; b) RS = 40 ;
c) RS = 1600 ; d) RS = 160 ;
a) RS = 820 ; b) RS = 560 ;
c) RS = 150 ; d) RS = 1 k ;
a) RS = 56 ; b) RS = 150 ; c) RS = 68 ;
d) RS = 100 .
Uma nova revolução na eletrônica surgiu quando o transistor foi inventado em 1948 : a idade da eletrônica de semicondutores começou com este fato. Conduto, é bom salientar que esta “era” nasceu antes, durante os anos 20. Nos anos 30 chegou-se a um dispositivo amplificador de estado sólido (precursor do transistor de junção e do transistor de efeito de campo na tecnologia MOS), porém, além de, na época, não existir a sua necessidade, ninguém conseguia explicar a teoria decorrente dos dispositivos, fora que o próprio tinha um fraco desempenho.
A necessidade de desenvolvimento de dispositivos de estado sólido não se manifestou até 1945, apesar dos diodos semicondutores terem sido bastante utilizados na 2º Guerra Mundial (em comunicação por microondas). Um dos principais objetivos era tentar desenvolver um amplificador de estado sólido que eliminaria os inconvenientes da válvula (consumo de energia mesmo fora de utilização, grandes dimensões e substituição da válvula por causa do rompimento do filamento pelo calor).Além do mais, foi prevista que em muitas aplicações (comunicações telefônicas, principalmente à distância, por exemplo) seriam necessários comutação eletrônica ao invés das eletromecânicas, e também amplificadores m elhores. O avanço das indústrias de rádios e televisores também contribuiu para esta necessidade.
O modelo original do transistor utilizava germânio como semicondutor e os contatos eram efetuados através de fios de ouro, próximos um do outro. Na experiência efetuada em dezembro de 1947, nos laboratórios da Bell Telephones, John Bardeen e Walter Brattain verificaram que a tensão de saída na ponta denominada coletor em relação à base de germânio era maior do que a tensão de entrada (na ponta denominada emissor ). Reconheceram o efeito que estavam procurando, e assim nasceu o amplificador de estado sólido, anunciado em 30 de junho de 1948, sob a forma de transistor de contato pontual.
Os primeiros transistores tinham um desempenho muito ruim : baixo ganho, muito ruído e as características diferiam muito entre um dispositivo e outro. Estas dificuldades existiam pelo fato do contato pontual, como havia apontado o coordenador do grupo que havia descoberto o transistor, Schockley. Ele mesmo propôs e desenvolveu a teoria dos transistores de junção , onde estes novos dispositivos dependiam de portadores de carga (as lacunas e os elétrons ), onde as propriedades elétricas dos transistores dependem de um teor de impurezas específicas cuidadosamente controlado.
NEWMARKET TRANSISTORS LTD / JAMES BLAKE
