UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - CCET

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE

CURSO: ENGENHARIA ELÉTRICA

DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I

PROFESSOR: NELSON CAMELO

RELATÓRIO I (DIODO, DIODO ZENER, TRANSÍSTOR)

Cristiano Jeferson da Costa Silva EE05237-72

São Luís

2010

RELATÓRIO I (DIODO, DIODO ZENER, TRANSÍSTOR)

O relatório referente será apresentado à disciplina de Laboratório de Eletrônica I, ministrada pelo professor Nelson Camelo, referente à primeira experiência realizada em laboratório.

São Luís

2010

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO (HISTÓRICO DA ELETRÔNICA) 042. DIODO SEMICONDUTOR 053. DIODO ZENER 064. TRANSÍSTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR 075. SIMULAÇÕES 106. TESTES COM MULTÍMETRO 126.1 TESTES COM DIODO 126.1.1 PROCEDIMENTO 1 126.1.2 PROCEDIMENTO 2 (OUTRO TIPO DE TESTE) 136.2 TESTES COM TRANSISTOR 146.2.1 TESTES DE RESISTENCIA 146.2.2 TESTES DE TENSÃO 16

CONCLUSÃO 17BIBLIOGRAFIA 17SOFTWARES UTILIZADOS NA SIMULAÇÃO 18

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1. INTRODUÇÃO (HISTÓRICO DA ELETRÔNICA)

A primeira válvula foi criada pelo cientista John Ambrose Flemming em 1904, isso propiciou um avanço na criação de outros dispositivos e circuitos que permitiram a execução de muitas tarefas que estavam sendo descobertas pelo homem naquela época. Ela foi utilizada até meados da década de 80, sendo hoje um dispositivo raro, encontrado em rádios, televisores e aparelhos de som muito antigos

Porém, muitos dispositivos que trabalham em frequências muito altas e que são ainda muito utilizados, derivam da válvula. A válvula diodo é composta por duas placas metálicas, colocadas numa cápsula de vidro em vácuo. Um filamento aquece uma das placas polarizada negativamente, denominada cátodo, gerando um fluxo de elétrons (corrente elétrica Ι) que atinge a segunda placa polarizada positivamente, denominada ânodo, conforme a figura abaixo:

Invertendo-se a polarização, fazendo-se com que o cátodo fique polarizado positivamente em relação ao ânodo, a corrente elétrica deixa de circular pela carga RL.

Em 1908, DeForest acrescentou à válvula diodo uma terceira placa entre o cátodo e o ânodo, denominada de grade. A grade passou a exercer um controle do fluxo de elétrons, criando a possibilidade de amplificar sinais elétricos. Esta válvula foi chamada de tríodo. A válvula tríodo juntamente com a válvula diodo, foram as responsáveis pelo surgimento das transmissões sem fio, radio transmissão. A partir daí, a busca passou a ser a de melhorar o desempenho do circuito e, para isso, era necessário desenvolver uma tecnologia para aperfeiçoar os dispositivos.

Em meados da década de 20, a teoria dos semicondutores surge como promessa tecnológica. Na década de 40, Desenvolve-se a física do estado sólido, que investiga a estrutura, as propriedades e o comportamento elétrico dos semicondutores. É nessa época

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também que surge o diodo semicondutor, que substitui a válvula diodo, pois consome uma quantidade menor de energia e tem dimensões menores. Em seguida, surge o transistor, substituindo a válvula tríodo, e outros dispositivos que foram criados a partir da necessidade imposta pelos novos aparelhos que surgiram, e possibilitando o surgimento de outros mais.

2. DIODO SEMICONDUTOR

Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Possui uma queda de tensão de 0,3 V(germânio) e 0,7 V(silício).

A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de catodo). Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo (cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo (cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais (contém impurezas), a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm, que é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas, tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampères, chamada de corrente de fuga, que também é quase desprezível.

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3. DIODO ZENER

O diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução reversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN. Embora o nome diodo Zener tenha se popularizado comercialmente, o nome mais preciso seria diodo de condução reversa, já que há dois fenômenos envolvidos o efeito Zener e o efeito avalanche. Ele difere do diodo convencional pelo fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5 Volts).

O diodo Zener pode funcionar polarizado diretamente ou inversamente. Quando está polarizado diretamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduz corrente elétrica enquanto a tensão aplicada aos seus terminais for inferior a aproximadamente 0,6 Volts no diodo de silício ou 0,3 Volts no diodo de germânio. A partir desta tensão mínima começa a condução elétrica, que inicialmente é pequena, mas que aumenta rapidamente, conforme a curva não linear de corrente versus tensão. Por esse fato, a sua tensão de condução não é única, sendo considerada dentro da faixa de 0,6 a 0,7 Volts para o diodo de silício.

Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz corrente desde que

não ultrapasse a tensão de ruptura. Na realidade, existe uma pequena corrente inversa,

chamada de corrente de saturação, que ocorre devido unicamente à geração de pares

de elétron-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No diodo

Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma

determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche),

causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação da energia térmica acaba por

destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo. No diodo Zener, por outro lado,

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ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de

um diodo comum), o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a

de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais. Cada diodo

Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts,

12 Volts e 24 Volts.

Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de diodos. Um dado

importante na especificação do componente a ser utilizado é a potência do dispositivo. Por

exemplo, existem diodos Zener de 400 mili Watts e 1 Watt. O valor da corrente máxima

admissível depende dessa potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se

encontra normalmente associado com uma resistência ligada em série, destinada

precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.

Curva Característica

Equivalente do diodo Zener no estado ligado e desligado.

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4. TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR

Assim como o diodo semicondutor substituiu a válvula diodo, o transístor substituiu a

válvula diodo. Como visto, o diodo, quando polarizado diretamente, conduz eletricidade. O

transístor introduz uma capacidade nova, que é a possibilidade de se controlar quanto de

eletricidade é conduzida.

Basicamente, um transistor é constituído pela combinação de dois diodos de junção

PN. Uma junção PN é polarizada diretamente e a outra inversamente. A união desses dois

componentes poderá ser feita de duas formas: união através do material P, para produzir um

transistor NPN e união através do material N, para produzir um transistor PNP.

No transístor NPN, a junção emissor-base do transistor deve ser polarizada

diretamente. A corrente circula do emissor para a base. Os elétrons provenientes da área do

emissor que chegam à área da base são solicitados por duas forças de atração: a primeira do

terminal positivo da bateria do coletor e a outra do terminal do terminal, também positivo da

bateria do emissor.

A tensão existente entre o emissor e a base possui tensão muito baixa, da ordem de

0,1 V enquanto a tensão entre base e coletor oferece um valor bem mais elevado, por exemplo

6 V. Com isso podemos notar que a grande maioria dos elétrons, cerca de 97%, ao entrar na

área da base será atraída pela área de maior tensão, a área do coletor; apenas uma pequena

parte não penetra na área da base e é atraída para o terminal positivo da bateria de

polarização. Esses poucos elétrons fornecem a corrente de base, que possui um valor muito

pequeno. Cada elétron que deixa o coletor deve ser substituído e essa substituição é feita pelo

emissor que também deve ter seus elétrons substituídos, isso gera um fluxo contínuo de

corrente.

O transístor PNP funciona de forma similar ao transistor do tipo NPN, o transistor

PNP tem a junção emissor-base polarizada diretamente, enquanto a junção base coletor é

polarizada inversamente. Os portadores majoritários no transistor PNP são lacunas. Os

elétrons do circuito externo passam para o coletor e daí para o emissor. As lacunas que

penetram na área da base passam para o coletor onde serão preenchidas com elétron

provenientes do terminal negativo da bateria de coletor. Os elétrons que chegam ao emissor

são atraídos para o terminal positivo da bateria de polarização. Cada elétron que passa do

emissor para a bateria de polarização, deixa uma lacuna em seu lugar. Como ocorre no

transistor NPN, podemos aplicar uma pequena tensão de sinal a fim de produzir um sinal

amplificado na saída do coletor.

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Configurações:

a- Emissor comum: Um transistor encontra-se na montagem emissor comum, quando a

entrada é na base e a saída é no coletor, tendo o emissor como eletrodo comum.

b- Base Comum: Neste caso a base está na entrada e na saída do circuito, ou seja, a base

é o eletrodo comum.

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c- Coletor Comum: Aqui a entrada é na base e a saída é no emissor, tendo o coletor

como eletrodo comum.

Condições de Amplificação, Corte e Saturação:

Conforme a polarização um transistor pode atuar em três regiões: região de corte, região ativa e região de saturação.

Na região ativa, o transístor opera como amplificador e nas regiões de corte e saturação como chave, ou seja, serve para comutação, conduzindo ou não. O transistor trabalhará na região de corte caso a corrente de base seja menor ou igual a zero, dessa forma a corrente de coletor será nula. Por outro lado se trabalharmos com uma corrente de base entre zero e a corrente de saturação (IBSAT), iremos operar na região ativa. Para uma corrente de base acima de IBSAT, o transistor operará na região de saturação, ou seja, circular pelo coletor uma corrente limite (ICCSAT), imposta de acordo com a polarização.

5. SIMULAÇÕES

Amps

+0.04

D11N4004

B150V

RESISTOR

1k

Modelo Real

Obs.: No modelo real o diodo conduz corrente, pois o sentido da polaridade é direta. Ainda há uma queda de tensão, como vemos na figura seguinte.

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Amps

+0.04

RESISTOR1k

D1

1N4004

B150V Volts

+49.2

Modelo Ideal, O Diodo é considerado uma chave simples

Conclui-se, com a simulação, que cada tipo diferente de diodo apresenta sua faixa de condução. Neste modelo virtual a medição é que mais se aproxima do ideal.

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Curva característica do Transistor TBJ

Nesta simulação, foi utilizado o Multisim para desenvolvimento do gráfico da curva

característica do transistor de junção bipolar NPN, utilizando o IV ANALYSER que analisa os

gráficos em relação a tensão x corrente.

6. TESTES COM MULTÍMETRO

6.1 TESTE EM DIODOS

6.1.1 Procedimento 1:

No teste inicial, mostraremos como fazer a prova de estado da junção de um diodo.

a) Coloque o multímetro numa escala intermediária de resistências (x 10 ou x 100) e zere-o. Se

estiver usando o provador de continuidade, coloque-o em condições de funcionamento.

b) Retire o diodo do circuito em que se encontra ou levante um dos seus terminais,

desligando-o do circuito.

c) Meça a resistência ou continuidade nos dois sentidos (faça uma medida e depois outra

invertendo as pontas de prova).

A figura abaixo mostra como realizar essa prova usando o multímetro.

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Interpretação da Prova:

Um diodo em bom estado deve apresentar uma baixa resistência em um sentido (polarização direta) e uma alta resistência no sentido oposto (polarização inversa).

Um diodo que apresente baixa resistência nos dois sentidos encontra-se em curto e alta resistência nos dois sentidos, se encontra aberto.

A baixa resistência pode variar entre 10 ohms e 2 000 ohms conforme o diodo e não representa a resistência que ele vai apresentar quando usado numa aplicação prática, mas sim a resistência vista pelo multímetro em função de sua baixa corrente de teste.

A resistência alta deve ser superior a 1 M ohms. Um diodo com resistência, na prova inversa, entre 10 000 ohms e 100 000 ohms apresenta fugas. Existem aplicações menos críticas, como fontes, em que essa resistência inversa ou fuga é tolerada.

6.1.2 Procedimento 2 (outro tipo de teste)

Muitos multímetros digitais e mesmo analógicos possuem uma função de prova específica para diodos semicondutores. Nesta prova é usada uma corrente direta um pouco maior que a empregada na simples medida de resistências, de modo a se obter uma melhor condição de condução.

Nesses casos, como o do multímetro ilustrado na figura abaixo, basta usar essa função no teste de diodos.

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Procedimento

a) Encaixa-se o diodo nos locais designados, ou então seleciona-se a função e liga-se o diodo àspontas de prova.b) Verifica-se a indicação de estado dada pelo multímetro.

Interpretação da ProvaA indicação é direta. O provador indica se o diodo está bom ou ruim (em curto, com fugas, aberto).

6.2 TESTE EM TRANSISTORES

6.2.1 Teste de resistência:

Considerando a equivalência para o tipo NPN dada no tópico anterior, as junções emissor/base e coletor/base estão, segundo Figura 01, diretamente polarizadas e, portanto, têm resistência baixa.

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Na figura, as junções emissor/base e coletor base estão inversamente polarizadas. A resistência deve ser alta para ambas. Na medição entre coletor e emissor, a resistência deve ser alta nos dois sentidos.

O transistor PNP opera de modo inverso. Na figura as junções coletor/base e emissor/base estão inversamente polarizadas.

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No transistor PNP da Figura as junções coletor/base e emissor/base estão diretamente polarizadas, resultando em resistência baixa. A resistência entre coletor e emissor é alta nos dois sentidos, da mesma forma do tipo NPN.

Um defeito comum em transistores de potência é curto entre coletor e emissor, que pode ser detectado por esses testes. Lembrar que certos tipos, como os de saída horizontal de televisores e monitores, podem ter diodo interno entre emissor e coletor e também resistência interna entre base e emissor. Mas o curto citado é observado pela baixa resistência em ambos os sentidos.

6.2.2 Teste de tensão:

Seria muito cômodo se, apenas com medições de tensões no circuito, fosse possível afirmar a condição defeituosa de um transistor. Muitas vezes isso não ocorre. A Figura abaixo dá apenas uma orientação grosseira dos valores relativos de tensões em um transistor PNP de um circuito CC típico.

Para um transistor NPN, a polaridade do multímetro (agora na escala de tensão) deve ser invertida. A tensão entre emissor e base é em geral bastante pequena, menos de 1 V.

Repetindo, essas informações são imprecisas, dependem muito do circuito, servem apenas como uma forma de "suspeita" do componente, antes de retirá-lo do circuito.

Outro aspecto importante: consideram-se apenas circuitos CC de baixa tensão e potência. Cuidado com circuitos de alta tensão, alta freqüência ou alta potência. O instrumento pode ser danificado e há risco de acidente. Em geral, há necessidade de pontas de prova e instrumentos especiais.

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CONCLUSÃO

É fundamental para todo profissional da Eletrônica saber como testar um componente. Se bem que existam técnicas simples que permitem avaliar o estado de determinados componentes, umas são mais confiáveis e mais completas do que outras.

Assim, também é preciso saber interpretar os resultados de um teste de modo a se ter certeza de que o componente analisado está (ou não) em bom estado, ou apresenta pequenas deficiências que podem comprometer o funcionamento de um circuito mais crítico.

BIBLIOGRAFIA

http://www.pt.wikipedia.g/wiki/transistores

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos,

São Paulo: Pearson Prentice Hall, 8ª ed., 2004

MALVINO, Albert Paul. Eletrônica: 4ª ed. São Paulo, 2006;

http://www.sabereletronica.com.br

mspc.eng.br/eletrn/comptest_110.shtml

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SOFTWARES UTILIZADOS NA SIMULAÇÃO

PROTEUS ISIS 7

MULTISIM 10.1

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