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Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 1 1 - SEMICONDUTORES 1.1 - MATERIAIS SEMICONDUTORES Um MATERIAL SEMICONDUTOR é assim denominado por apresentar algumas características elétricas tanto dos condutores como dos isolantes. 1.2.1 - PROPRIEDADES DOS ÁTOMOS O átomo é eletricamente neutro, pois o número de elétrons é igual ao número de prótons. A última órbita de um átomo é denominada órbita de valência. Perdendo elétrons, o átomo torna-se um íon positivo (cátion); ganhando elétrons, torna-se um íon negativo (ânion). Cada órbita aceita um número máximo de elétrons. Um átomo é considerado estável quando a sua órbita de valência contém 8 elétrons. O átomo tende a se unir com outros átomos, visando a estabilidade. Essa união pode ocorrer por meio de ligações eletrovalentes (doação definitiva de elétrons) ou covalentes (compartilhamento de elétrons). Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 2 1.2.2 - SILÍCIO E GERMÂNIO O material semicondutor é formado por átomos de quatro elétrons na órbita de valência, sendo denominado tetravalente. Os semicondutores mais comuns são o Silício (Si), com 14 elétrons nas órbitas, e o Germânio (Ge), com 32 elétrons. A união entre os átomos de elementos semicondutores é realizada por meio de ligações covalentes. Como possuem quatro elétrons na órbita de valência, precisam fazer quatro ligações covalentes com outros quatro átomos, formando o que é conhecido como cristal semicondutor. 1.2 - DOPAGEM É possível alterar as características físicas e elétricas de um cristal semicondutor por meio do processo denominado dopagem. Esse processo consiste em substituir alguns átomos tetravalentes do cristal semicondutor por átomos trivalentes (3 elétrons na órbita de valência) ou pentavalentes (5 elétrons na órbita de valência). Esses átomos são chamados de impurezas, e o semicondutor dopado é denominado impuro (ou extrínseco). 1.3 - SEMICONDUTOR TIPO P A dopagem de um cristal de silício com impurezas trivalentes (alumínio, gálio ou boro) forma ligações covalentes incompletas pela ausência de um elétron, tornando o cristal dopado com excesso de lacunas (falta de elétron). Esse cristal dopado com excesso de lacunas é denominado semicondutor tipo P. 1.4 - SEMICONDUTOR TIPO N A dopagem de um cristal de silício com impurezas pentavalentes (fósforo ou antimônio) forma ligações covalentes quatro dos cinco elétrons disponíveis, de forma que o cristal dopado fica com excesso de elétrons, que são cargas negativas. Dessa forma, esse cristal é denominado semicondutor tipo N. 1.5 - JUNÇÃO PN A união de semicondutores tipo P com tipo N, provocam, na região de fronteira, uma recombinação de pares elétron- lacuna, num processo chamado de difusão. Assim, formam-se íons positivos (cátions) no lado N e íons negativos (ânions) no lado P. Essa região ionizada criada em torno da junção, impede a movimentação de elétrons, e recebe o nome de camada de depleção. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 3 A força que impede a movimentação de elétrons, na camada de depleção, é denominada barreira de potencial, e é representado por Vγ. À temperatura ambiente (25°C), a junção PN formada por semicondutores de silício gera uma barreira de potencial de aproximadamente 700mV ( Vγ = 600mV à 700mV ), e a junção PN formada por semicondutores de germânio gera uma barreira de potencial de aproximadamente 300mV ( Vγ = 200mV à 300mV ). 1.6 - POLARIZAÇÃO DA JUNÇÃO PN A polarização da junção PN é realizada, ligando-se os terminais dos semicondutores da junção a uma fonte de tensão externa. Essa polarização pode ser realizada de duas maneiras: direta ou reversamente. 1.6.1 - POLARIZAÇÃO DIRETA DA JUNÇÃO PN Na polarização direta, liga-se o pólo positivo da fonte de tensão externa ao terminal do semicondutor tipo P, e o pólo negativo ao terminal do semicondutor tipo N. Nesse tipo de polarização, o comportamento da junção irá depender do valor da tensão da fonte externa, com relação à barreira de potencial da junção: Se E é menor que Vγ (E < Vγ), o pólo positivo da fonte não tem energia suficiente para vencer a barreira de potencial e atrair a grande quantidade de elétrons do lado N para o lado P. Assim, a corrente elétrica que se estabelece é praticamente nula, e a junção PN comporta-se como uma elevada resistência, isto é, praticamente como um circuito aberto. Se E é maior que Vγ (E > Vγ), o pólo positivo da fonte vence a barreira de potencial e possibilita um fluxo intenso de elétrons do lado N para o lado P. Assim, a corrente elétrica que se estabelece é muito grande, e a junção PN comporta-se como uma baixa resistência, isto é, praticamente como um curto-circuito. 1.6.2 - POLARIZAÇÃO REVERSA DA JUNÇÃO PN Na polarização reversa, liga-se o pólo positivo da fonte de tensão externa ao terminal do semicondutor tipo N, e o pólo negativo ao terminal do semicondutor tipo P. Dessa forma, o pólo positivo da fonte externa atrai os elétrons do lado N, gerando mais íons positivos, e o pólo negativo da fonte fornece elétrons para o lado P, gerando mais íons negativos. Essa ionização excedente causa um aumento na camada de depleção e, portanto, um aumento na barreira de potencial. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 4 Assim, a corrente elétrica que se estabelece é muito pequena, denominada corrente reversa (ou corrente de fuga) e a junção PN comporta-se como uma elevada resistência, isto é, praticamente como um circuito aberto. 1.6.3 - CURVA CARACTERÍSTICA DA JUNÇÃO PN Analisando a junção PN, podemos representar graficamente seu comportamento na sua curva característica: 2 - DIODOS 2.1 - CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO DIODO O diodo é um dispositivo semicondutor formado por uma única junção PN. O terminal do cristal tipo P, no qual se formam os ânions, é o anodo (A), e o terminal do cristal tipo N, no qual se formam os cátions, é o catodo (K). Nos diodos de baixa potência, os terminais são identificados por uma faixa (um anel) próxima ao catodo. Nos diodos de potência, o símbolo do diodo é impresso no corpo do diodo. 2.2 - CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO DIODO 2.2.1 - DIODO POLARIZADO DIRETAMENTE Na polarização direta, se VD < Vγ, a corrente é muito pequena. A partir de Vγ, a corrente no diodo (ID) aumenta bruscamente, de forma que o diodo tem comportamento próximo ao de um curto-circuito. Na realidade, quando VD ≥ Vγ, o diodo oferece uma pequena resistência a passagem de corrente, caracterizada pela inclinação da curva (θ). Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 5 Nos manuais dos fabricantes (Data Sheet), a corrente direta e a tensão direta são representadas, respectivamente, por IF (Forward current) e VF (Forward voltage). Nessa polarização, o diodo é limitado tanto pela corrente direta máxima (IFmax) como pela tensão direta máxima (VFmax). Se um desses limites for ultrapassado, a potência dissipada pela junção eleva a sua temperatura acima de seu valor máximo (Tjmax), danificando o diodo. 2.2.1.1 - RESISTÊNCIA DO DIODO NA REGIÃO DE CONDUÇÃO A inclinação da curva define a resistência do diodo na região de condução. Esse valor é muito pequeno (alguns ohms, no máximo). Essa resistência é denominada resistência direta do diodo (rF) e pode ser calculada a partir da curva característica ou por um par IF x VF. 2.2.2 - DIODO POLARIZADOREVERSAMENTE Na polarização reversa, o diodo tem comportamento próximo ao de um circuito aberto. Na realidade, existe uma pequena corrente reversa que é desprezível em relação à corrente direta. Nos manuais dos fabricantes, a corrente reversa e a tensão reversa são representadas, respectivamente, por IR (Reverse current) e VR (Reverse voltage). Nessa polarização, o diodo é limitado tanto pela corrente reversa máxima (IRmax) como pela tensão reversa máxima (VRmax). Quando a VRmax é ultrapassada, o diodo pode chegar na região de ruptura da junção (breakdown voltage), onde há um aumento brusco da corrente reversa, denominado efeito avalanche. g I VV I V r F F F F F cot Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 6 2.3 - ANÁLISE DO DIODO EM CORRENTE CONTÍNUA 2.3.1 - RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE Na prática, um diodo nunca pode estar conectado diretamente a uma fonte de tensão na polarização direta, já que, nesta condição, ele se comporta praticamente como um curto-circuito. Por isso, é necessário ligar um resistor RS em série com o diodo para limitar a corrente direta e polarizar o diodo de forma adequada em corrente contínua (CC), evitando que as suas especificações máximas de tensão e corrente sejam atingidas. Para determinar um ponto de operação adequado para o diodo, na região de condução, a tensão deve ser tal que Vγ < VF < VFmax. Como essa faixa de tensão é muito estreita, adotamos inicialmente VF = Vγ e IF = IFmax / 2 (ponto mais seguro de operação). Portanto, podemos calcular RS por: 2 maxF S I VE R 2.3.2 - RETA DE CARGA E PONTO QUIESCENTE Reta de Carga representa todos os possíveis valores de tensão e corrente que podem ocorrer num circuito. Ela pode ser traçada a partir de seus dois pontos extremos, denominados Ponto de Corte (IF = 0) e Ponto de Saturação (VF = 0). Ponto de Trabalho ou Ponto Quiescente (Q) são os valores de tensão (VF) e corrente (IF) aos quais o diodo está submetido num circuito. Graficamente, o ponto Q do diodo pode ser obtido através da intersecção da Reta de Carga do circuito com a Curva Característica do diodo. 2.4 - MODELOS EQUIVALENTES PARA O DIODO A determinação gráfica do ponto quiescente nem sempre é possível. Porém, a resolução de um circuito com diodos pode ser feita analiticamente, substituindo-os por um modelo equivalente. Podemos definir três modelos que devem ser utilizados conforme a ordem de grandeza das tensões e correntes do circuito, e conforme o grau de precisão desejado na análise. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 7 3 - CIRCUITOS RETIFICADORES 3.1 - RETIFICADOR DE MEIA ONDA O circuito retificador de meia onda é o mais simples de todos os circuitos retificadores, pois necessita de apenas um diodo. O transformador fornece a tensão CA para o diodo, que a retifica e alimenta a carga RL. No semiciclo positivo, v2 polariza o diodo D1 diretamente e, portanto, ele conduz. As tensões na carga (vL) e no diodo (vD1) são: Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 8 No semiciclo negativo, v2 polariza o diodo D1 reversamente e, portanto, ele corta. As tensões na carga (vL) e no diodo (vD1) são: Portanto, as formas de onda no retificador de meia onda são as seguintes: Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 9 A seguir, temos as expressões das tensões e correntes na carga e as especificações de tensão reversa e corrente direta do diodo, para o retificador de meia onda: () Expressões válidas para qualquer modelo de diodo (Ideal ou Quase Ideal), pois estão em função da tensão de pico na carga (VLP) Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 10 3.1 - RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM DERIVAÇÃO CENTRAL Esse circuito utiliza dois diodos (D1 e D2) e um transformador com derivação central no secundário, para realizar a retificação. A derivação central aterrada cria no secundário do transformador duas tensões defasadas de 180°, com valores de pico iguais à metade da tensão de pico total, ou seja: No semiciclo positivo de v1, v2a é positivo e, portanto, D1 conduz. No mesmo instante, v2b é negativo e, portanto, D2 corta. As tensões na carga (vL) e nos diodos (vD1 e vD2) são: No semiciclo negativo de v1, v2a é negativo e, portanto, D1 corta. No mesmo instante, v2b é positivo e, portanto, D2 conduz. As tensões na carga (vL) e nos diodos (vD1 e vD2) são: Obs.: A tensão reversa de pico nos diodos é V2P. bPaPP VVV 222 Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 11 Portanto, as formas de onda no retificador de onda completa com derivação central, são as seguintes: Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 12 A seguir, temos as expressões das tensões e correntes na carga e as especificações de tensão reversa e corrente direta do diodo, para o retificador de onda completa com derivação central: () Expressões válidas para qualquer modelo de diodo, pois estão em função da tensão de pico na carga (VLP). () Cada diodo conduz somente em um semiciclo. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 13 3.2 - RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE Esse circuito utiliza quatro diodos (D1, D2, D3 e D4) para realizar a retificação, sem a necessidade de um transformador com derivação central no secundário. Dessa forma a tensão a ser retificada é a tensão total do secundário do transformador. No semiciclo positivo de v2, D1 e D3 conduzem, e D2 e D4 cortam. A tensão em RL e nos diodos são: No semiciclo negativo de v2, D1 e D3 cortam e D2 e D4 conduzem. A tensão em RL e nos diodos são: Obs.: A tensão reversa de pico nos diodos é V2P. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 14 Portanto, as formas de onda no retificador de onda completa em ponte, são as seguintes: Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 15 A seguir, temos as expressões das tensões e correntes na carga e as especificações de tensão reversa e corrente direta do diodo, para o retificador de onda completa em ponte: () Expressões válidas para qualquer modelo de diodo, pois estão em função da tensão de pico na carga (VLP). () Cada diodo conduz somente em um semiciclo. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 16 3.3 - QUADRO RESUMO A seguir, temos as expressões para o cálculo das tensões, período, frequência e velocidade angular (frequência angular), para as formas de onda senoidais naturais e retificadas: Obs.: Os valores das correntes podem ser obtidos utilizando-se as mesmas expressões das tensõe. (Ex.: Retificador de meia onda IRMS = Ip / 2) Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 17 01 – Analise os circuitos I a VIII abaixo e relacione-os com o estados A e B da lâmpada. Todas as lâmpadas são especificadas para operarem em 12V. 02 – Analise o circuito abaixo e indique o estado (A, B ou C) em que se encontra cada uma das lâmpadas, considerando as suas especificações de tensão. 03 – O diodo de silício 1N914 possui as seguintes especificações: Vγ = 700mV e IFmax = 75mA. Determine o valor comercial de RS para uma corrente no diodo igual à metade deIFmax, quando ele é alimentado por uma tensão de 12V.(modelo quase ideal) Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 18 04 – A figura abaixo corresponde à curva característica do diodo retificador BY127. Determine graficamente os valores aproximados de Vγ e rF. 05 – Considerando o circuito e a curva característica do diodo abaixo, determine as retas de carga e os pontos quiescentes para as seguintes tensões: a) E = 3V b) E = 6V c) E = 8V 06 – No circuito ao lado, as chaves S1a e S1b são acopladas mecanicamente. Analise-o e responda às seguintes perguntas: a) Com as chaves S1a e S1b, respectivamente, nas posições 1 e 3, quais diodos conduzem e qual é o sentido da corrente no resistor R? b) Com as chaves S1a e S1b, respectivamente, nas posições 2 e 4, quais diodos conduzem e qual é o sentido da corrente no resistor R? 07 – Considerando o circuito ao lado, determine o valor de RS para que a lâmpada funcione de acordo com as suas especificações. (Utilizar o modelo ideal para o diodo). Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 19 08 – Dada a curva característica de um diodo, na figura ao lado, determine o seu ponto quiescente e sua potência de dissipação, sabendo-se que ele está ligado em série com um resistor de 50Ω e alimentado por uma fonte de 2,2V. 09 – Determine a reta de carga, o ponto quiescente e a potência dissipada pelo diodo no circuito ao lado, dada a sua curva característica 10 – O circuito ao lado apresenta um problema. Identifique-o, propondo uma solução. (modelo quase ideal) Obs.: IDM = IFmax 11 – As lâmpadas do circuito abaixo são de 6V / 120mW. Identifique a condição de cada uma: Condições: 1 = lâmpada acende 2 = lâmpada não acende 3 = lâmpada acende com sobretensão, podendo se danificar. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 20 12 - Nos circuitos seguintes, são aplicadas tensões de formas diferentes, mas com o mesmo valor de pico (VP = 15V) e em resistores iguais (R = 470Ω). a) Quais são os valores medidos pelos voltímetros CA e CC no resistor R de cada circuito? Voltímetro CA: Voltímetro CA: Voltímetro CA: Voltímetro CC: Voltímetro CC: Voltímetro CC: b) Quais os valores medidos pelos amperímetros CA e CC ligados nesses circuitos? Amperímetro CA: Amperímetro CA: Amperímetro CA: Amperímetro CC: Amperímetro CC: Amperímetro CC: 13 – O circuito abaixo mostra um transformador com relação de espiras N1/N2 = 55 e com tensão no primário de 110VRMS ligado a um retificador de meia onda com uma carga de 40Ω. Considerando o diodo de germânio (V = 200mV) e o modelo quase ideal, determine: a) as formas de onda das tensões na carga e no diodo com suas respectivas amplitudes; b) a tensão média na carga; c) a corrente média na carga; d) as especificações do diodo (corrente direta máxima, tensão reversa máxima). 14 - Considere o circuito abaixo: Transformador: 110 / 220V 15 + 15V 2A / 60VA a) Determine as tensões de pico, média e eficaz na carga RL. (Nos modelos do diodo - Vγ = 700mV) b) Determine a menor carga RL que pode ser ligada na saída do circuito. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 21 15 – O circuito abaixo mostra um transformador com tensão no secundário de 30VRMS ligado a um retificador de onda completa com derivação central, com uma carga de 300Ω. Considerando o diodo de silício (V = 0,7V) e o modelo quase ideal, determine: a) as formas de onda das tensões na carga e nos diodos com suas respectivas amplitudes; b) a tensão média na carga; c) a corrente média na carga; d) as especificações dos diodos (corrente direta máxima, tensão reversa máxima). 16 – Considere o circuito abaixo: Transformador: 110 / 220V 15 + 15V 2A / 60VA Diodo 1N4004: IFmax = 1A (valor médio) VFmax = 1,1V VRmax = 400V a) Determine as tensões de pico, média e eficaz na carga RL. (Usar modelo ideal para o diodo) b) Determine a menor carga RL que pode ser ligada na saída do circuito. 17 – O circuito abaixo mostra um transformador com derivação central e tensão no secundário de 4VRMS ligado a um retificador de onda completa com diodos de silício (V = 0,6V), com uma carga de 10Ω. Considerando o modelo quase ideal para os diodos, determine: a) a tensão de pico na carga; b) a tensão eficaz na carga; c) a corrente média na carga; d) a tensão de pico reversa no diodo; 18 – Considere o circuito abaixo: Transformador: 110 / 220V 15 + 15V 2A / 60VA Diodo: IFmax = 1,5A (valor médio) VFmax = 1V VRmax = 200V a) Determine as tensões de pico, média e eficaz na carga RL. (Usar modelo quase ideal - V = 650mV) b) Determine a menor carga RL que pode ser ligada na saída do circuito. Eletrônica Analógica I Prof. Eduardo MATERIAL DE APOIO 22 19 – O circuito abaixo mostra um transformador com tensão no secundário de 25VRMS ligado a um retificador de onda completa em ponte, com diodos de silício (V = 600mV), alimentando uma carga de 10Ω. Considerando o modelo ideal para os diodos, determine: a) a tensão de pico na carga; b) a tensão eficaz na carga; c) a corrente média na carga; d) a tensão de pico reversa no diodo; e) a corrente média no diodo. RESPOSTAS 03 – RF = 301,33Ω (RF = 330Ω) p/ Vγ = 700mV; PRF = 464,06mW (PRF = 1W) 04 – Vγ = 700mV; rF = 40mΩ 05 - a) IF = 10mA e VF = 700mV b) IF = 24mA e VF = 900mV c) IF = 32mA e VF = 1V 06 - a) A B b) a) A B 07 – RS = 220Ω; PRS = 8,8W 08 – VF = 1,2V; IF = 20mA; PD = 24mW 09 – VF = 800mV; IF = 1,2mA; PD = 960µW 10 – Prob.: IF > IFmax (1,86A > 0,8A); Solução: Trocar RS > R’S = 23,25Ω; PR’S = 3,72W 12 – Circuito I a) VCA = 10,61V e VCC = 0V b) ICA = 22,57mA e ICC = 0A Circuito II a) VCA = 7,50V e VCC = 4,77V b) ICA = 15,96mA e ICC = 10,15mA Circuito III a) VCA = 10,61V e VCC = 9,55V b) ICA = 22,57mA e ICC = 20,32mA 13 - a) VLm = 837,16mV b) ILm = 20,93mA c) IFav > 20,93mA e VRRM > 2,38V 14 – a) Mod. ideal VLp = 42,43V; VLm = 13,51V e VLrms = 21,22V Mod. quase ideal (Vγ = 700mV) VLp = 41,73V; VLm = 13,28V e VLrms = 20,87V b) Itr = 2A ILrms = 2A RLmin = 10,44Ω 15 - b) VLm = 13,06V c) ILm = 43,53mA d) IFav > 21,77mA e VRRM > 42,43V 16 – a) VLp = 21,21V; VLm = 13,50V e VLrms = 15,00V b) IFav = 1A ILm = 2A RLmin = 6,75Ω 17 - a) VLp = 2,23V b) VLrms = 1,58V c) ILm = 141,97mA d) VRp = 5,66V 18 – a) VLp = 41,13V; VLm = 26,18V e VLrms = 29,08V b) IFva = 1,5A ILm = 3A RLmin = 8,87Ω 19 - a) VLp = 35,36V b) VLrms = 25,00V c) ILm = 2,25mA d) VRp = 35,36V e) IFva = 1,13A
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