Diodo Zener

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A partir do descobrimento das propriedades eletrônicas da junção semicondutora pn e da fabricação de diodos e outros componentes, muitos estudos têm sido realizados com os materiais semicondutores, em busca de fenômenos que possibilitassem a construção de novos dispositivos. Um destes fenômenos se refere ao efeito de ruptura de uma junção semicondutora inversamente polarizada, que é utilizado na fabricação de diodos que funcionam como reguladores de tensão em circuitos eletrônicos.  O diodo semicondutor que opera utilizando esse efeito é denominado de diodo Zener.

Este fascículo tratará das características principais do diodo Zener, fornecendo informações indispensáveis para que o leitor adquira o conhecimento necessário à utilização daquele componente em aplicações de eletrônica como, por exemplo, na obtenção de regulagem de tensão em fontes de alimentação.


Diodo Zener

O diodo Zener é um tipo especial de diodo utilizado como regulador de tensão. A sua capacidade de regulação de tensão é empregada principalmente nas fontes de alimentação, para obtenção de uma tensão de saída praticamente constante.

A Fig.1 mostra o símbolo geralmente utilizado para representação do diodo Zener nos diagramas de circuito

Comportamento do Diodo Zener

O comportamento do diodo Zener depende fundamentalmente da forma como é polarizado, conforme discutido a seguir.

POLARIZAÇÃO DIRETA

Quando polarizado diretamente, o diodo Zener se comporta como um diodo convencional; ou seja, operando no regime de condução com uma queda de tensão típica através de seus terminais.

 A Fig.2 mostra um circuito utilizado para polarizar diretamente um diodo Zener de silício, juntamente com a porção da curva característica representativa da região de condução do diodo.

Normalmente o diodo Zener não é utilizado com polarização direta nos circuitos eletrônicos.

POLARIZAÇÃO INVERSA

Até um determinado valor da tensão inversamente aplicada, o diodo Zener comporta-se como um diodo comum, ou seja, operando no regime de bloqueio. Neste regime, circula através do diodo uma pequena corrente de fuga, conforme ilustrado no gráfico da Fig.3

Na Fig.3, o sinal negativo associado à corrente de fuga ou de saturação   (-I_s )  indica que, no regime de bloqueio, a corrente flui no sentido inverso através do diodo.

A partir de um determinado valor da tensão inversa aplicada ao diodo, ocorre o efeito de ruptura, que faz com que o diodo entre subitamente em condução, mesmo estando submetido a uma polarização inversa, conforme ilustrado na Fig.4. A partir dessa condição, a corrente inversa aumenta rapidamente e a queda de tensão através do diodo se mantém praticamente constante.

O valor V_Z da tensão inversa a partir da qual o diodo Zener entra no regime de condução é denominado de tensão Zener.

Enquanto houver corrente inversa fluindo através do diodo Zener, a tensão entre os seus terminais mantém-se praticamente fixada no valor V_Z.

É importante observar que quando polarizado inversamente, qualquer junção semicondutora pode sofrer o efeito de ruptura. A diferença fundamental entre um diodo Zener e aquele aqui denominado de diodo comum ou convencional, reside no fato de o diodo Zener ser fabricado com materiais semicondutores condicionados a resistir ao valor intenso da corrente inversa presente no regime de ruptura, ao passo que um diodo convencional seria danificado permanentemente se submetido às mesmas condições de operação.

Características do Diodo Zener

São os seguintes os parâmetros utilizados na caracterização do diodo Zener:

·        Tensão Zener.

·        Potência máxima de dissipação.

·        Coeficiente de temperatura.

·        Tolerância.

TENSÃO ZENER

O valor da tensão Zener, ou tensão de ruptura de um diodo é controlada durante o processo de fabricação e depende da resistividade da junção semicondutora. A escolha adequada das dimensões, tipo de material e grau de dopagem, possibilitam a operação normal do diodo mesmo quando submetido a alto valor de corrente inversa.

Os diodos Zener são fabricados com valores do parâmetro V_z que variam de 2 V até algumas dezenas de volts. O valor da tensão Zener é fornecido pelo fabricante nos folhetos técnicos do componente.

POTÊNCIA MÁXIMA DE DISSIPAÇÃO

O diodo Zener operando com uma tensão fixa V_z na região de ruptura, é percorrido por uma alta corrente inversa, dissipando, portanto, potência na forma de calor. A potência dissipada P_z pode ser obtida do produto.

Cada diodo Zener pode operar até um valor máximo da potência de dissipação, valor este que assegura a operação normal do componente. Esse limite de potência é fornecido pelo fabricante no folheto de especificações do diodo. 

Utilizando as especificações do parâmetro V_z e da potência máxima de dissipação P_z,máx, a corrente inversa máxima de operação do diodo I_z,máx, pode ser calculada com o auxílio da Eq.(1), resultando em

O valor da corrente, calculado através da Eq.(2), não pode ser excedido sob pena de danificação do diodo Zener por excesso de aquecimento.

Diodos Zener com potência máxima de dissipação de cerca de 1 Watt podem ser encontrados com encapsulamentos de vidro ou plástico. Para operação a níveis mais altos de potência, o componente é geralmente fabricado com um encapsulamento metálico, do tipo mostrado na Fig.5 para facilitar a retirada de calor do material semicondutor, minimizando, assim, o aquecimento.

A faixa de valores de corrente de operação do diodo Zener ilustrada na Fig.6, é determinada por dois valores limite, assim definidos:

·        I_z,máx   =   valor máximo da corrente de operação.

·        I_z,mín   =   valor mínimo da corrente de operação.

O valor máximo é calculado com o uso da Eq.(2), e o valor mínimo é definido como 10% do valor máximo; ou seja,

COEFICIENTE DE TEMPERATURA

Os diodos Zener são fabricados com materiais semicondutores, que sofrem influência da temperatura. Esta influência se traduz em variações no valor da tensão Zener, a partir de variações na temperatura de operação.

Esse efeito é pré-especificado pelo fabricante, sendo caracterizado na forma de um coeficiente de temperatura que permite determinar de quantos milivolts varia o valor V_z para cada grau centígrado de variação da temperatura.

Devido a uma diferença existente entre os dois mecanismos responsáveis pela produção da corrente de ruptura em um diodo Zener, o coeficiente de temperatura pode ser positivo ou negativo. Essa diferença permite classificar dois grupos distintos de componente conforme discriminado na Tabela 1.

Tabela 1 Divisão de componentes em dois grupos de acordo com o sinal do coeficiente de temperatura.

Tensão Zener	Coeficiente de temperatura (mV/°C)	Observação
Vz £ 6V	Negativo	A tensão Zener diminui com o aumento da temperatura
Vz > 6V	Positivo	A tensão Zener aumenta com o aumento da temperatura.

A curva característica da Fig.7 ilustra a dependência térmica da tensão Zener para um componente com coeficiente de temperatura positivo.

TOLERÂNCIA

A tolerância do componente especifica a variação que pode existir entre o valor especificado e o valor real da tensão inversa de operação do diodo Zener. Isso significa que um diodo Zener de 12 V pode ter uma tensão inversa real, por exemplo, de 11,5 V.

A tolerância juntamente com os parâmetros de operação são especificados pelos fabricantes por um código de identificação do componente, conforme descrito na Tabela 2.

Tabela 2 Formas de especificação da tolerância de diodos Zener a partir dos códigos de identificação.

Tolerância	Especificação da tolerância	Exemplo
5%	O último elemento do código de identificação é a letra A	Cód. de ident.: 1N4742 A Caracteriza um diodo Zener de 12V, 1W, com tolerância de 5%
10%	O último elemento do código de identificação é um numeral	Cód. de ident.: 1N4733 Caracteriza um diodo Zener de 5,1V, 1W, com tolerância de 10%

A tolerância de 5% do componente 1N4742A especificado na Tabela 2, indica que a tensão Zener pode variar no intervalo 11,4 V £ V_z £ 12,6 V.  Já o componente 1N4733, de 10% de tolerância, teria uma tensão Zener situada no intervalo 4,6 V £ V_z £ 5,6 V.

DIODO ZENER IDEAL VERSUS REAL

O diodo Zener ideal é definido como aquele que, operando no regime de ruptura, mantém a tensão absolutamente constante independente da corrente inversa fluindo através de seus terminais.

A Fig.8 mostra a região de ruptura da curva característica de um diodo Zener considerado ideal. Como pode ser aí observado, tal dispositivo seria capaz de manter a tensão fixada em um valor constante V_z para valores distintos da corrente inversa através do diodo.

A região de ruptura de um diodo Zener real é caracterizada por uma pequena variação da tensão Zener quando a corrente inversa é alterada, conforme ilustra o gráfico da Fig.9. Porém, considerando que a variação em V_z seja muito pequena, o diodo Zener pode ser considerado ideal na maioria das aplicações de interesse prático.

Diodo emissor de luz - Led´s

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A maioria dos aparelhos eletrônicos faz uso de mostradores luminosos que são empregados para indicar, por exemplo, se um equipamento está ligado ou desligado; ou mesmo para exibir valores numéricos ou mensagens em painéis de calculadoras eletrônicas, telefones celulares etc. Esses mostradores luminosos são fabricados com base nas propriedades ópticas de alguns materiais semicondutores que podem emitir luz quando polarizados adequadamente. O componente que é fabricado com essas características é denominado de LED. Essa sigla é a abreviação do termo inglês Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz, na língua portuguesa.

Este fascículo tratará das principais características e do princípio de funcionamento do diodo emissor de luz, com o objetivo de capacitar o leitor a utilizar esse componente em suas atividades.

O diodo emissor de luz é um tipo especial de junção semicondutora que emite luz quando diretamente polarizada. A sigla LED surgida do termo inglês Light Emitting Diode, é a denominação amplamente utilizada nas referências a esse componente.

A forma adotada para se representar o LED em diagramas de circuito é essa mostrada na Fig.1.

LEDs são encapsulados nas mais diversas configurações, algumas das quais estão ilustradas na Fig.2.

O cátodo do LED pode ser identificado como sendo o terminal localizado próximo ao corte lateral na base do encapsulamento, conforme indicado na Fig.3.

LEDs são largamente utilizados como mostradores luminosos em uma variedade de equipamentos eletro/eletrônicos, em dispositivos de controle remoto, em sensores de alarmes residenciais ou industriais, ou mesmo como fontes de luz em sistemas de comunicações ópticas.

Dentre as características principais do diodo emissor de luz, pode-se destacar:

·        Baixo consumo de energia.

·        Imunidade a vibrações mecânicas.

·        Pequenas dimensões.

·        Alta durabilidade.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

                                                     

Como ilustrado na Fig.4, quando o diodo emissor de luz é polarizado diretamente, entra em condução, permitindo a circulação de corrente.

         A corrente através do LED se processa através da injeção de lacunas provenientes do lado p e de elétrons, do lado n da junção.  Dessa forma, uma grande quantidade de elétrons e lacunas coexistem em uma estreita região nas proximidades da junção.

A coexistência de elétrons e lacunas possibilita a ocorrência de processos de recombinação elétron/lacuna. Recombinação é o nome que se dá ao processo de captura de elétrons por lacunas existentes nas ligações entre átomos do cristal semicondutor. Nesse processo, o elétron libera energia na forma de um fóton de luz, conforme ilustrado na Fig.5.

PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS DO LED

A seguir são apresentados alguns dos parâmetros de especificação de um LED.

CORRENTE DIRETA NOMINAL

A corrente direta nominal, denotada pelo parâmetro I_F é o valor de corrente de condução especificado pelo fabricante para o qual o LED apresenta um rendimento luminoso ótimo. Esse valor é tipicamente 20mA para LEDs disponíveis comercialmente.

CORRENTE DIRETA MÁXIMA

         A corrente direta máxima, denotada pelo parâmetro I_FM, corresponde ao valor máximo da corrente de condução que pode fluir através do LED, sem que este venha a sofrer ruptura estrutural.

TENSÃO DIRETA NOMINAL

A tensão direta nominal, denotada pelo parâmetro V_F é a especificação fornecida pelo fabricante para a queda da tensão típica através do LED quando a corrente de condução atinge o valor nominal I_F , como ilustrado na Fig.6. 

TENSÃO INVERSA MÁXIMA

A tensão inversa máxima, denotada pelo parâmetro V_R, é a especificação para o valor máximo da  tensão inversa que pode ser aplicada ao LED sem que este venha a sofrer ruptura. A tensão inversa máxima em LEDs comerciais é tipicamente da ordem de 5V.

A Tabela 1 lista as características de alguns LEDs disponíveis comercialmente.

Tabela 1 Parâmetros característicos de alguns LEDs comerciais.

LED	Cor	VF (IF = 20mA)	IF máx
LD 30C	vermelho	1,6V	100mA
LD 37I	verde	2,4V	60mA
LD 35I	amarelo	2,4V	60mA

         O diodo emissor de luz pode ser testado seguindo o mesmo procedimento de teste do diodo comum; ou seja, com o emprego de um multímetro selecionado para medição de resistência. O painel do instrumento deve indicar valores de alta e baixa resistência ao se alternar a posição dos terminais de conexão do multímetro aos terminais do LED. Geralmente o LED acende durante o teste com polarização direta.

LED BICOLOR

O LED bicolor consiste essencialmente de dois LEDs colocados em um único encapsulamento, conforme ilustrado na Fig.7. Esse dispositivo tem três terminais, um dos quais é comum a ambos os LEDs do encapsulamento. A cor da luz emitida pode ser selecionada alimentando-se o par de terminais referente a essa cor.

LED INFRAVERMELHO

Existem LEDs que emitem luz no infravermelho, que é uma forma de radiação invisível ao olho humano. Apesar de não se poder observar a luz emitida de um LED infravermelho, esse dispositivo apresenta o mesmo princípio de funcionamento dos LEDs convencionais.

LEDs infravermelhos são utilizados principalmente em alarmes residenciais e industriais, em dispositivos de controle remoto e em sistemas de comunicações ópticas.

UTILIZAÇÃO DO LED

O emprego do LED em tensões contínuas exige a fixação da sua corrente direta nominal. A limitação da corrente pode ser feita através de um resistor conectado em série com o LED.

         A Fig.8 ilustra o diagrama de um circuito retificador de onda completa que utiliza um LED como indicador de fornecimento da tensão de saída do circuito.

O valor de resistência do resistor limitador pode ser obtido da expressão

onde

·        V_cc          =  tensão de saída da fonte.

·        V_F  =  tensão nominal de condução do LED.

·        I_F   =  corrente nominal de condução do LED.

Exemplo 1: Determinar a resistência do resistor limitador para uma fonte que fornece uma tensão cc de 10 V, para utilização de um LED LD30C, como mostrador luminoso. 

Da segunda linha da Tabela 1, tem-se que

V_F  = 1,6 V  ,  I_F = 20 mA

Utilizando o valor V_cc=10 V da Tabela 1, resulta,