Eletrônica Aplicada - Elt 6 Diodos Especiais

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E-mail: [email protected] ESCOLA TÉCNICA REZENDE-RAMMEL CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICADA I NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___ DIODOS ESPECIAIS DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) O diodo, quando polarizado diretamente, uma grande quantidade de portadores atravessam a junção. Neste processo alguns se recombinam com átomos ionizados, perdendo energia. Nos diodos de silício e de germânio esta transferência de energia se dá principalmente na forma de calor. Nos diodos emissores de luz (LED) a junção é formada por arseneto de gálio (GaAs) que libera energia na forma de luz. SIMBOLOGIA Anodo Catodo LED DE LUZ VISÍVEL → são normalmente feitos a partir do arseneto de gálio acrescidos de fósforo que, dependendo da quantidade, podem irradiar luzes vermelha, laranja, amarela, verde, azul. E são usados normalmente como sinalizadores luminosos. LED INFRAVERMELHO → Podem ser construídos com antimoneto de índio (InSb) e podem ser utilizados em alarmes, transmissão de dados por fibra óptica, sistemas de controle, e outros sistemas que exijam radiação invisível. LED LASER →Feitos a partir de arseneto de gálio (GaAs) acrescido de alumínio (Al) e são utilizador em equipamentos leitura ou emissores laser. LED ULTRAVIOLETA →São construídos à base de sulfato de zinco (ZnS) e utilizados em diversos sistemas, principalmente de grande precisão. CARACTERÍSTICAS DO LED ELIÉSIO 1 E-mail: [email protected] Os LEDs apresentam as características dos diodos de junção. Conduzem quando polarizados diretamente e com tensão maior que a tensão necessária para vencer a barreira de potencial (Vd). Comercialmente podemos encontrar LEDs para correntes na faixa de 10 mA a 50 mA e tensões na faixa de 1,5 V a 2,5 V. CIRCUITO COM LED ILEDÆ 10mA a 50mA VLEDÆ 1,5V a 2,5V Rs = ILED VLED V − VLED ILED Valores típicos ILED=20 mA VLED=2,0 V FOTODIODO Um diodo de junção, polarizado inversamente, possui uma corrente de fuga formada por portadores minoritários criados pela vibração térmica. Se houver incidência de luz sobre a junção PN, através de uma janela, esta energia pode gerar portadores aumentando a corrente reversa. FOTODIODO é diodo com uma janela sobre a junção que permite a entrada de luz. Desta forma quanto maior a incidência de luz, maior a corrente no fotodiodo polarizado inversamente. D SIMBOLOGIA CARACTERÍSTICAS DO FOTODIODO Um valor típico da corrente “escura” nos fotodiodos de germânio é de 6 µA, e para corrente “luz” com iluminação de 1600 lux um valor típico é de 150 µA. Nos dispositivos de silício, valores típicos da corrente “escura” permanecem entre 0.01 µ A e 0.1µA e da corrente ”luz” com iluminação de 2000 lux entre 250µA e 300 µA. CURVA CARACTERÍSTICA CORRENTE x ILUMINAÇÃO corrente de luz (escala log) Quanto maior a incidência de luz, maior a corrente no fotodiodo polarizado reversamente. Quando o fotodiodo está trabalhando na região linear de sua curva característica, a corrente reversa tem a mesma forma de onda da amplitude luminosa incidente. iluminação (escala log.) ELIÉSIO 2 E-mail: [email protected] CURVA CARACTERÍSTICA CORRENTE x COMPRIMENTO DE ONDA DA LUZ IR Esta característica define a corrente reversa (IR) do fotodiodo provocada pelo comprimento de onda(λ) da luz incidente. 100 75 50 25 10 0.4 0.6 0.8 1.0 1.1 λ(µm) DIODO VARICAP: O diodo varicap ou varactor é um diodo de capacitância variável que usa a capacitância produzida por uma função PN polarizada inversamente A polarização reversa produz uma região na junção virtualmente isenta de portadores de carga, a camada ou região de depleção, que forma uma camada isolante entre as duas regiões de condução P e N. Um capacitor de placas paralelas é, portanto formado e como a largura da camada de depleção depende da polarização reversa, é obtida uma capacitância variável. varicap SIMBOLOGIA CURVA CARACTERÍSTICAS Cj P N ++++ −−−− ++++ −−−− ⇒ ++++ −−−− RR Cj V CAMADA DE DEPLEÇÃO (capacitância da junção) UTILIZAÇÃO SINTONIA NOS CIRCUITOS RESSONANTE EQUIPAMENTOS DE TELECOMUNICAÇÕES: MUITO UTILIZADO EM Valores típicos de capacitância para esse tipo de diodo são 230 pF a 13 pF com uma faixa de tensões de 1V a 30 F e 20 pF a 2 pF com uma faixa de tensões de 6,5V a 25V. Os diodos destinados como elementos de sintonia são fabricados de silício. ELIÉSIO 3 E-mail: [email protected] SINTONIA NA FREQUÊNCIA DE MICROONDAS: O valor de capacitância é pequeno, somente alguns picofarades, para dar uma alta frequência de corte em operação eficiente. A faixa de capacitância 5 pF a 1pF com uma variação de tensão de 1 V a 12 V. São normalmente fabricados de arseneto de gálio. MULTIPLICAÇÃO DE FREQUÊNCIAS: A variação da capacitância com a tensão aplicada, é não-linear, e assim a aplicação de uma forma de onda produz no diodo uma descontinuidade criando harmônicos. Ao realizar a sintonia nos harmônicos temos as multiplicações de frequência. CONVERSOR DE FREQUÊNCIA A característica não-linear pode ser usada como misturador para fornecer conversão de frequência. Onde dois sinais de entrada são aplicados, e é extraída a frequência soma (conversor ascendente-“ UPconverter”) ou diferença (conversor descendente- “Down-converter”). A faixa de capacitância requerida nos diodos varicap para multiplicação de frequência é geralmente menor do que a requerida para sintonia. Em particular, nas freqüências de microondas a capacitância deve ser baixa para dar alta freqüência. E são fabricados com encapsula mentos adequado à inclusão nos guias de ondas. DIODO DE RECUPERAÇÃO ESCALONADA É uma variante do diodo varicap que recebe um nível de dopagem adequado para a junção PN de modo que o diodo possa ser comutado (ou chaveado) desde um estado de alta capacitância com polarização direta até um estado de baixa capacitância com polarização inversa. O diodo forma o elemento capacitivo de um circuito LC sintonizado. Este tipo de diodo pode produzir multiplicação de freqüência até 20 vezes. TABELAS DE DIODOS VARICAP DIODO DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL PARA SINTONIA (OPERAÇÃO EM UHF) TIPO BA163 BA182 BB105B BB113 B122 BBY22 DC4227C DC4244 ITT210 ZC700 ZC800 ELIÉSIO Vrmax (V) 14 35 28 32 30 100 20 30 25 `Cj a Vr (pF) (V) 10 10 1.0 20 2.3 25 13 30 2.8 25 47 4.0 68 4.0 350 4.0 5.0 10 6.8 4.0 1.8 20 Cj a 260 Vr .(pF) 0 280 13 1.0 3.0 20 1.0 10 2.0 (V) 4 E-mail: [email protected] DIODO DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL PARA SINTONIA (OPERAÇÃO EM MICROONDAS) TIPO Vrmax(V) BXY53 BXY54 BXY55 DC4201B DC4275B MA45064 MA45109 MA45149 ZC751 60 60 60 30 30 25 45 90 30 Cj a Vr (pF) C Vr .(Cj) (V) 1.0 4.0 4.7 4.0 15 4.0 2.2 0 4.7 0 0.5 4.0 15 4.0 15 4.0 3.9 4.0 (V) DIODOS VARICAP MULTIPLICADORES TIPO BAY96 BXY56 BXY57 DC7309A MA44100 MA44150 MA44210 ZC29 ZC41 ZC0112 UN5152 Vrmax (V) 120 60 60 120 150 15 100 6 20 35 75 Cj a Vr (pF) 39 2.5 2.0 35 30 0.6 16 0.55 0.5 3.0 7.5 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 0 20 0 6.0 (V) DIODO TÚNEL O diodo túnel usa uma junção PN com ambas as regiões P e N muito fortemente dopadas. O desempenho de tal junção é diferente do da junção geralmente usada em diodos. A camada de depleção é extremamente fina por causa do número muito grande de portadores de carga. Em conseqüência, a corrente direta começa a fluir numa tensão mais baixa do que num diodo normal, muitas vezes em polarização zero, ou seja, a polarização direta produz condução imediata. A corrente aumenta com o aumento da polarização direta até atingir um valor máximo Ip (corrente de pico) quando a tensão no diodo iguala-se a tensão Vp (tensão de pico). A seguir a corrente diminui até um valor mínimo Iv (corrente de vale) a uma tensão Vv (tensão de vale). A partir deste ponto a característica do diodo túnel torna-se como a de um diodo de junção. A região entre os pontos do pico e do vale é chamada região de resistência negativa, porque nesta região um aumento de tensão produz uma diminuição na corrente. A resistência negativa é útil em circuitos osciladores que são capazes de converter potência CC em potência CA. Freqüências de até 100 GHz têm sido obtidas, porém, a potência de saída é baixa, sendo os valores típicos de 10 mW a 5 GHz e 0,2 mW a 50 GHz. O diodo túnel apesar de apresentar baixa potência, tem se mostrado vantajoso, no entanto, como amplificador de resistência negativa por causa de seu desempenho de baixo ruído. ELIÉSIO 5 E-mail: [email protected] CURVA CARACTERÍSTICA I Ip Iv Vp Vv V SIMBOLOGIA A ânodo K cátodo DIODO INVERSO É uma forma de diodo túnel muito usado em freqüência de microondas. Apresenta um nível de dopagem muito alto, e com isto o diodo rompe numa tensão inversa muito baixa. Ele é, com efeito, um diodo zener com ruptura próxima de zero volt (0V). A resistência reversa é, portanto muito baixa. Mais baixa que a resistência direta. Os diodos inversos são usados como detetores muito sensíveis, nas freqüências de microondas de até 40 GHz. TABELA: TIPO AEY29 AEY31 AEY32 DC3010 DC3011 DC3021 ] FREQUÊNCIA(GHz) 12 a 18 1 a 18 18 A 40 9.3 16 9.3 SIMBOLOGIA A CURVA CARACTERÍSTICA I K 0.1 ânodo ELIÉSIO cátodo 0.7 V 6 E-mail: [email protected] DIODO SCHOTTKY: Em baixas freqüências um diodo comum pode se desligar facilmente quando a polarização varia de direta para reversa. Mas à medida que a freqüência aumenta, o diodo chega num ponto onde não pode se desligar suficientemente rápido para evitar uma corrente considerável durante parte do tempo reverso. O diodo de barreira Schottky usa uma junção de metal semicondutor como elemento de retificação. De fato, o diodo Schottky faz uso construtivo do que pode ser uma desvantagem em muitos dispositivos de estado sólido. A “resistência de contato” entre a fração de pastilha do semicondutor e os fios condutores metálicos. O material semicondutor usado é silício fortemente dopado ou arseneto de gálio, sobre o qual uma fina camada de material N de alta resistividade é crescida. Isto dá ao diodo uma baixa capacitância e uma alta tensão de ruptura. O fluxo de corrente num diodo Schottky é inteiramente devido aos portadores majoritários, No sentido direto, elétron do material semicondutor são injetados no metal. Estes elétrons rapidamente perdem suas energias, e, portanto não podem atravessar a junção quando a polaridade é invertida. Os diodos Schottky não podem, portanto experimentar os efeitos da recuperação reversa do armazenamento de portadores majoritários. Eles podem, portanto serem usados eficientemente nas freqüências de microondas como diodos misturadores e como diodos detetores com baixo ruído e alta sensibilidade. Uma aplicação importante dos diodos Schottky é nos computadores digitais. A velocidade dos computadores depende da rapidez com que seus diodos e transistores conseguem se ligar e desligar. É aí que entra o diodo Schottky. Pelo fato dele não ter armazenamento de carga, o diodo Schottky tornou-se a peça fundamental da TTL Schottky de baixa potência, um grupo de dispositivos digital amplamente usado. DIODOS SCHOTTKY DIODOS MISTURADORES Tipo Faixa freq. (GHz) BAT10 1 a 12 BAV72 26 a 40 BAV96D 1 a 12 BAW95G 1 a 12 DC1304 9.3 DC1304A 16.0 DC1501F 9.3 DC1504E 9.3 MA4861H 16.0 MA4882 1.0 Ruído (dB) 7.5 10.0 6.0 6.5 6.0 6.5 7.0 7.5 6.5 5.5 SIMBOLOGIA A DIODOS DETETORES Tipo Faixa freq. (GHz) BAV46 8 a 12 BAV75 8 a 14 BAV97 8 a 12 MA40025 3.0 MA40027 10.0 Ruído (dB) 10 10 10 ESTRUTURA K METAL N ânodo cátodo SCHOTTKY ELIÉSIO 7 E-mail: [email protected] DIODO PIN: No diodo PIN, uma camada de silício intrínseco separa as regiões P e N. Os portadores que saem das regiões dopadas têm que atravessar a região intrínseca antes de alcançar o lado oposto da junção. O tempo de trânsito através da região intrínseca limita a freqüência de operação como um retificador a aproximadamente 100 MHz. Nas freqüências de microondas, a estrutura PIN apareceria simplesmente como uma resistência linear. No entanto, se for aplicada uma polarização direta, os portadores são injetados na região intrínseca e a resistência cai abruptamente. A diferença entre a resistência com a polarização direta e com polarização reversa (quando não são injetados portadores) pode ser de fato de muitos milhares. Esta propriedade do diodo Pin permite que ele seja usado como um modulador ou como chave nos sistemas de microondas. O diodo Pin também é usado como um atenuador controlando a tensão. DIODOS PIN DIODOS DE COMUTAÇÃO Tipo VR (V) Cd (pF) DC2019 DC2419A MA47051 MA47079 MA4784 ZC3202 100 150 100 500 1000 200 0.2 P total 30Wcw 250Wpk 8KWpk 30KWpk 3.0W 0.35 0.4 3.8 0.32 Tempo de vida dos Velocidade portadores (ns) comutação 10 50 75 5 1500 100 15000 650 100 de (ns) USO GERAL Tipo DC1015 DC2010 DC2132A MA47100 ELIÉSIO VR (V) 500 250 800 100 Cd (pF) 1.0 0.5 0.48 0.35 P total Tempo de vida portadores (ns) dos Velocidade de comutação (ns) 2000 700 4000 2000 8 E-mail: [email protected] AUTO-AVALIAÇÃOÆDIODOS ESPECIAIS NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___ 1) Determine o valor de Rs para ligar o LED do circuito abaixo. +5V Rs LED 2) Projete um circuito para alimentar um LED que servirá de indicação luminosa de lanterna do carro ligada. A bateria do carro é de 12V. 3) Explique o funcionamento de um fotodiodo. 4) Explique o funcionamento de um varicap. 5) Explique o funcionamento de um diodo túnel. 6) Explique o funcionamento de um diodo inverso. 7) Explique o funcionamento de um diodo Schottky. .8) Explique o funcionamento de um diodo PIN. ELIÉSIO 9