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Eletrônica Básica 1
Aula  07: Circuitos com Diodos - Limitadores  - LED - Fotodiodo
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica

1. Limitadores
    São circuitos usados para limitar a tensão  entre dois limites protegendo o circuito de excessos de tensão.

1.1. Limitador positivo
     No circuito da Figura 1a se a  entrada, Ve,  é positiva e maior que 0,7 V o diodo conduz e a saida,Vs,  fica limitada em 0,7 V, Figura  1b. Se  a entrada for menor que 0,7 V o diodo corta (abre) e a saida sera igual a entrada, Vs=Ve.


                                   ( a )                                                                             ( b )                                                                                   ( c )
Figura 1 - ( a ) Limitador positivo  ( b ) Ve>0,7 V    ( c )    Ve < 0,7 V

A curva de transferencia, VsxVe, mostra esse comportamento graficamente,  Figura 2.


Figura 2 - Curva caracteristica de transferencia VsxVe do circuito da Figura 1a

      Na Figura 2 são mostradas a curva real e a aproximação por trechos de reta. Observe que na pratica a transição entre conduzindo e cortado não é abrupta (de uma vez) mas suave. Observe tambem a inclinação na parte da reta, é 1.

1.2. Limitador negativo
     Basta inverter o diodo no circuito da Figura 1a, nesse caso a limitação será para valores negativos. Se Ve,  é negativo e menor  que -0,7 V o diodo conduz e a saida,Vs,  fica limitada em - 0,7V, Figura  1b. Se  a entrada for maior  que -0,7 V o diodo corta (abre) e a saida sera igual a entrada.


                               ( a )                                                                 ( b )                                                                  ( c )
Figura 3 - ( a ) Limitador negativo   ( b ) Ve<-0,7 V    ( c )    Ve >- 0,7 V

A curva de transferencia, VsxVe, mostra esse comportamento graficamente,  Figura 4.


Figura 4 - Curva caracteristica de transferencia VsxVe do circuito da Figura 3a

1.3. Limitador negativo positivo
    Este circuito protege de tensão positiva e negativas altas. A placa de som de seu computador não aceita tensões maiores que 1 V, então se voce quiser enviar sinais alternados deve usar um circuito parecido com esse da Figura 5.

                                      ( a )                                                               ( b )                                                       ( c )                                                            ( d )

Figura 5 - ( a ) Limitador negativo positivo    ( b ) Ve> 0,7 V    ( c )    Ve <- 0,7 V   ( d )  -0,7V

      Se Ve>0,7 V conduz D1, D2 corta e  o circuito equivalente é o da Figura 5b e a saida sera Vs=0,7 V. Se Ve<-0,7 V então D2 conduz, D1 corta e a saida fica limitada em -0,7 V. Se    -0,7 V



Figura 6 - Curva caracteristica de transferencia VsxVe do circuito da Figura 5a


1.4. Limitador com nivel
         No caso desse tipo de circuito é imposto um valor de nivel para ser limitado. Seja o circuito da Figura 7, neste é adiconada uma bateria em serie com o diodo. Observe que o diodo conduz sempre quando a tensão de entrada é positiva, Ve>0. Nesse caso a barreira de potencial de soma com a tensão da bateria, então tudo se passa como se a barreira de potencia valesse 0,7+E, onde E é a tensão da bateria no exemplo 10 V. Então se Ve>0,7V+10V=10,7 V o diodo conduz e para Ve<10,7V o diodo corta, Figura 7.

                                       ( a )                                                                    ( b )                                                                                      ( c )
Figura 7 - ( a ) Limitador com nivel  ( b ) Limitador com nivel  com Ve>10,7V ( c ) Limitador com nivel   com Ve<10,7V

A Figura 8 mostra a curva caracteristica de transferencia, curva real e aproximação por trechos de retas.


Figura 8 - Curva caracteristica de transferencia VsxVe do circuito da Figura 7a


Exercicio:
Para o circuito da Figura 7a considere que a entrada é senoidal e de 15 V de pico pedem-se: a) Grafico de Vsxt  b) Grafico de Vsxt se a entrada é senoidal e de 5 V de pico.
Solução: Para valores de entrada maiores que 10,7 V  o diodo conduz e a saida ficará limitada em 10,& V. Para todos os outros valores a saida será igual a entrada pois o diodo estará cortado. A Figura 9 mostra os graficos da saida,Vs,  e da entrada,Ve.

Figura 9 - Graficos da entrada e saida para exercicio considerando Ve=15 Vpico

O que acontece se amplitude da entrada for menor que 10,7 V, por exemplo Ve=5 Vpico?. A Figura 10 mostra os graficos da entrada e saida, isto é, a entrada não sendo suficientemente alta, o diodo não conduz e portanto a saida será sempre igual a entrada.



Figura 10 - Graficos da entrada e saida para exercicio considerando Ve=5 Vpico


2.  Diodo Emissor de Luz
     O Diodo Emissor de Luz , LED (Light Emitting Diode) é um tipo de diodo (junção PN) que ao ser polarizado diretamente emite luz que pode ser visivel ou não. A Figura 11 mostra o aspecto fisico e o simbolo do LED. A cor da radiação depende dos materiais usados. Quanto maior o LED mais luz emite e maior é a corrente necessaria.  A identificação dos terminais é feita pelo tamanho dos terminais (o maior é o anodo) ou pela marca (chanfro) existente na parte inferior (o catodo,K, está proximo do chanfro).

         ( a )                                             ( b )

Figura 11 - Diodo Emissor de Luz (LED) - ( a ) simbolo   ( b ) aspecto fisico

       A polarização do LED é basicamente a mesma do diodo comum, anodo positivo, o LED conduz (se a corrente for adequada) e acende, anodo negativo o LED apaga. A tensão no diodo quando polarizado diretamente varia de 1,5 V a 2 V depende da corrente e da cor do LED. A Figura 12a mostra um LED vermelho polarizado diretamente, a medida da corrente e da tensão no LED. Cuidado com excesso de corrente ou tensão reversa em excesso!

          
                                                  ( a )                                                                                                  ( b )
Figura 12 - ( a ) LED polarizado diretamente  ( b )  LED polarizado reversamente


A polarização
      Consiste basicamente em estabelecer uma corrente, pois a luminosidade depende da intensidade da corrente. O problema é que a  tensão no LED pode variar de 1,5 V a 2 V para um LED com as mesmas dimensões e cor.
      O  circuito de polarização mais simples  consiste em ligar uma resistencia em serie com o LED, como na Figura 12a. Normalmente considera-se 1,5 V como a queda de tensão. Por exemplo se a alimentação é 12 V e o LED necessita de 20 mA para funcionar e admitindo-se 1,5 V  a queda de tensão no LED  o valor de R será:

 R=(12 - 1,5)V/20mA  = 0,525 kW = 525 W
 
    Na Figura 12 foi adotado o valor comercial de 220 Ohms, neste caso o brilho do LED é alto. Voce sabendo a ordem de grandeza pode escolher outro valor e determinar qual o melhor. Se voce colocar um valor muito alto, por exemplo 10 k, o LED não acende. Se escolher um valor muito baixo, por exemplo 100 Ohms, pode esquentar muito e queimar. Lembra que a montagem do LED no suporte deve ser  de forma tal que se olhe na parte frontal e nunca lateral.

3. Fotodiodo
     Um fotodiodo funciona  ao contrario do LED, isto é, ao receber uma radiação luminosa  na junção (polarizada reversamente), produzirá uma corrente que será proporcional à intensidade luminosa. São usados basicamente para detectar a intensidade luminosa (por exemplo em sistemas digitais a presença de luz é ”1” e a ausência  “0”).  A Figura 13 mostra a polarização e a curva caracteristica onde a intensidade luminosa aparece como parametro

                       ( a )                                                      ( b )                                                                       ( c )
Figura 13 - Fotodiodo ( a ) e ( b ) polarização e simbolo  ( c ) Curva caracteristica e reta de carga

     A Figura 13c mostra as curvas caracteristica da  corrente em função da tensão aplicada tendo a intensidade luminosa como parametro (mW/cm2 ). A posição da reta de carga depende do valor de Vcc e de R. No escuro, primeira curva o fotodiodo está cortador, a corrente é zero e a tensão nos terminais do diodo é Vcc. Se a luminosidade for suficientemente alta (maior que 4 mW/cm2 ) o diodo satura. A corrente valerá aproximadamente Vcc/R.
Com a incidência de luz na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga serão gerados. A corrente total (I)  através da junção será dada por:

I= Is+IIL

Onde
 
IS é a corrente de saturação,  o seu valor so depende da temperatura.
 
IIL é a corrente devido  à radiação incidente, o seu valor so depende da intensidade luminosa.

Normalmente IIL >>> Is

Aplicação para o fotodiodo: Transmissão de dados atraves de uma fibra otica. Em uma ponta um emissor de luz, um LED e na outra ponta o receptor, o fotodiodo. LED acesso corresponde a 1 e LED apagado 0, digital.

4. Experiencia: Diodo Emissor de Luz (LED)
4.1. Abra o arquivo ExpEN1_12_Diodo_Emissor_de_Luz   (Arquivo Proteus)  e identifique a Figura 14. Inicie a simulação. Meça a  corrente e a tensão nos dois LEDs, LED1 e LED2. Anote os valores medidos bem como a condição de cada LED (cortado/conduzindo). Para selecionar qual LED é ligado na fonte de 12 V, use a chave S1,  clicando na barra de espaço do teclado (SPACE).


Figura 14 - Diodo Emissor de Luz - LED  para experiencia

LED1:     ILED=___________VLED=_________   Condição=____________


LED2:     ILED=___________VLED=_________   Condição=____________

4.2. Aumente a resistencia R1 para 100 k. O que acontece? Justificar.
4.3. Escreva as suas conclusões.

5. Experiencia: Circuito limitador positivo
5.1. Abra o arquivo ExpEN1_13_Limitador_positivo (Arquivo Proteus) e identifique o circuito da Figura 15.
5.2. Inicie a simulação. Abra o osciloscopio e anote as formas de onda de entrada, Ve, e saida Vs. Compare com os valores esperados.
5.3. Mude a amplitude da senoide para 200mVpk  e repita os itens anteriores. O que acontece com a saida para essa entrada? Justificar.

c

5.4. Execute uma analise DC sweep para isso vá em Simulate>>Analyses and simulation>> DC Sweep>Run  para ver a curva de transferencia.
   Atenção para a origem (0,0).

5.5. Escreva as suas conclusões.

6. Experiencia: Circuito limitador negativo
6.1. Abra o arquivo ExpEN1_14_Limitador_negativo    (Arquivo Proteus)  e identifique o circuito da Figura 16.
6.2. Inicie a simulação. Abra o osciloscopio e anote as formas de onda de entrada, Ve, e saida Vs. Compare com os valores esperados.
6.3. Mude a amplitude da senoide para 200mVpk  e repita os itens anteriores. O que acontece com a saida para essa entrada? Justificar.

Figura 16 - Limitador negativo

6.4. Execute uma analise DC sweep para isso vá em Simulate>>Analyses and simulation>> DC Sweep>Run para ver a curva de transferencia.
Atenção para a origem (0,0).
6.5. Escreva as suas conclusões.

7. Experiencia: Circuito limitador negativo
7.1. Abra o arquivo ExpEN1_15_Limitador_positivo_negativo    (Arquivo Proteus) e identifique o circuito da Figura 17.
7.2. Inicie a simulação. Abra o osciloscopio e anote as formas de onda de entrada, Ve, e saida Vs. Compare com os valores esperados.
7.3. Mude a amplitude da senoide para 200mVpk  e repita os itens anteriores. O que acontece com a saida para essa entrada? Justificar.

Figura 17 - Limitador positivo/negativo

7.4. Execute uma analise DC sweep para isso vá em Simulate>>Analyses and simulation>> DC Sweep>Run para ver a curva de transferencia.
Atenção para a origem (0,0).
7.5. Escreva as suas conclusões.


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