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Aula06 Indice de Aulas Aula08

Eletrônica Básica 1

Aula 07: Circuitos com Diodos - Limitadores - LED - Fotodiodo

Bibliografia

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<Ve<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<Ve<0,7 V os dois diodos cortam e saida será igual a entrada, Vs=Ve, Figura 5d. A curva de transferencia, VsxVe é mostrada na Figura 6.

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 resolvido

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 10,7 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 atraves de uma abertura. 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.

( 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 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.

( 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

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 Diodo Emissor de Luz 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 clique 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.

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