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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE - UNINORTE FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA DIODOS TIPOS DE DIODOS E CIRCUITOS COM DIODOS MICHELY MIGUEL 1410763-5 TARCISO LABORDA 1424045-9 RAIMUNDO VANDERLEI 1414001-2 WANDERSON AMORIM 1405192-3 MANAUS 2016 2 CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE - UNINORTE FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA MICHELY MIGUEL 1410763-5 TARCISO LABORDA 1424045-9 RAIMUNDO VANDERLEI 1414001-2 WANDERSON AMORIM 1405192-3 DIODOS TIPOS DE DIODOS E CIRCUITOS COM DIODOS Prof. M.Sc. Francisco Coelho MANAUS 2016 Trabalho apresentado ao Professor Francisco Coelho da Disciplina de Eletrônica Básica no Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário do Norte, como requisito parcial para obtenção de nota parcial. 3 CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE - UNINORTE FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA MICHELY MIGUEL 1410763-5 TARCISO LABORDA 1424045-9 RAIMUNDO VANDERLEI 1414001-2 WANDERSON AMORIM 1405192-3 DIODOS TIPOS DE DIODOS E CIRCUITOS COM DIODOS Aprovado em: MANAUS 2016 Trabalho apresentado ao Professor Francisco Coelho da Disciplina de Eletrônica Básica no Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário do Norte, como requisito parcial para obtenção de nota parcial. 4 RESUMO O nosso Trabalho visa estudar os vários tipos de Diodos e também Circuitos com diodos. O diodo por mais simples que seja, é um componente vital, e por trás de suas propriedades elétricas existe muitas histórias. Esse componente é importantíssimo para nosso estudo. Palavras-chave: Diodos 5 ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1 - EFEITO EDISON ............................................................................................................ 9 FIGURA 2 - VÁLVULA DIODO ........................................................................................................ 10 FIGURA 3-ESTRUTURA DE UM DIODO NO ESTADO SÓLIDO. ........................................................... 11 FIGURA 4 - PROCESSO .................................................................................................................. 11 FIGURA 5 - REPRESENTAÇÃO DE UM DIODO SEMICONDUTOR ....................................................... 12 FIGURA 6 - CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO ..................................................................... 12 FIGURA 7 ..................................................................................................................................... 13 FIGURA 8 - DIODO RETIFICADOR -SIMBOLOGIA ............................................................................ 15 FIGURA 9 - TRÊS PROCESSOS COMUNS DE RETIFICAÇÃO ............................................................... 15 FIGURA 10- SIMBOLOGIA DE UM DIODO SCHOTTKY ................................................................. 16 FIGURA 11-DIODO SCHOTTKY CONVENCIONAL ........................................................................... 17 FIGURA 12-DIODO SCHOTTKY COM SOBREPOSIÇÃO DE METAL .................................................... 17 FIGURA 13-DIODO SCHOTTKY COM ANEL DE GUARDA ................................................................. 18 FIGURA 14-DIODO SCHOTTKY COM GRADES DE LINHA DE DIFUSÃO ............................................. 18 FIGURA 15- DIODO SCHOTTKY ( DE PORTADORES QUENTES) ....................................................... 19 FIGURA 16-CIRCUITO EQUIVALENTE APROXIMADO PARA O DIODO SCHOTTKY ............................ 19 FIGURA 17-ESTRUTURA DE UM DIODO SCHOTTKY COMUM ......................................................... 19 FIGURA 18-DIODOS DE BAIXA POTÊNCIAS .................................................................................... 21 FIGURA 19 - CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO ZENER............................................................. 21 FIGURA 20 - SÍMBOLO DO DIODO ZENER. .................................................................................... 22 FIGURA 21 - CIRCUITO DE OPERAÇÃO DO DIODO ZENER. ............................................................. 22 FIGURA 22-RETA DE CARGA DO DIODO ZENER............................................................................. 22 FIGURA 23 - VISTA INTERNA DO LED. ........................................................................................... 23 FIGURA 24 - CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DO LED. ........................................................................ 24 FIGURA 25 - FOTODIODO .............................................................................................................. 24 FIGURA 26 - SÍMBOLO E ASPECTOS DOS FOTODIODOS .................................................................. 25 FIGURA 27-DIODO TÚNEL ............................................................................................................. 25 FIGURA 28 - SÍMBOLO DO DIODO TÚNEL ...................................................................................... 26 FIGURA 29 - CURVA CARACTERÍSTICA ......................................................................................... 26 FIGURA 30 - SIMBOLOGIA ............................................................................................................ 27 FIGURA 31 - DIODOS VARICAP ..................................................................................................... 27 FIGURA 32 - SIMBOLOGIA ............................................................................................................ 28 6 FIGURA 33 - FUNCIONAMENTO .................................................................................................... 28 FIGURA 34 - LASER POINTER ........................................................................................................ 29 FIGURA 35 - CIRCUITO ELETRÔNICO DE EXCITAÇÃO DE UM LASER ............................................... 30 FIGURA 36 - REPRESENTAÇÃO ..................................................................................................... 31 FIGURA 37 - EXPLICAÇÃO ............................................................................................................ 31 FIGURA 38 - SIMBOLOGIA ............................................................................................................ 32 FIGURA 39 - CIRCUITO DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA ................................................... 34 FIGURA 40 - CIRCUITO DOBRADOR DE TENSÃO DE ONDA COMPLETA. ......................................... 35 FIGURA 41-CIRCUITO TRIPLICADOR DE TENSÃO .......................................................................... 35 FIGURA 42-CIRCUITO QUADRIPLICADOR DE TENSÃO .................................................................. 36 FIGURA 43- CIRCUITO MULTIPLICADOR DE TENSÃO .................................................................... 36 FIGURA 44 - CEIFADORES EM SÉRIE ............................................................................................. 37 FIGURA 45 - FORMA DE ONDA ...................................................................................................... 38 FIGURA 46 - CIRCUITO ................................................................................................................. 38 FIGURA 47 - FORMAS DE ONDAS DE UM CIRCUITO GRAMPEADOR. ................................................ 39 FIGURA 48 - GRAMPEADOR POSITIVO SEM POLARIZAÇÃO ............................................................40 FIGURA 49 - GRAMPEADOR POSITIVO COM POLARIZAÇÃO ........................................................... 40 FIGURA 50 - GRAMPEADOR NEGATIVO COM POLARIZAÇÃO.......................................................... 40 7 LISTA DE ABREVIATURAS PIV Tensão inversa de Pico HTC Hot carrier Diode MHZ Megahertz GHZ Gigahertz 8 SUMÁRIO INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 9 1.1 HISTÓRIA DO DIODO ................................................................................................. 9 CAPÍTULO II............................................................................................................................ 15 TIPOS DE DIODOS ................................................................................................................. 15 2.1 DIODO RETIFICADOR.............................................................................................. 15 2.2 DIODO SCHOTTKY ................................................................................................... 16 2.3 DIODO SCHOCKLEY ................................................................................................ 20 2.4 DIODO ZENER ............................................................................................................ 21 2.5 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) ............................................................................ 23 2.6 FOTODIODO ................................................................................................................ 24 2.7 DIODO TÚNEL ............................................................................................................ 25 2.8 VARICAP ...................................................................................................................... 27 2.9 DIODO PIN ................................................................................................................... 28 2.10 DIODO LASES ............................................................................................................ 29 2.11 DIODO GUNN ............................................................................................................. 31 2.12 DIODO VARACTOR .................................................................................................. 32 CAPÍTULO III .......................................................................................................................... 34 CIRCUITOS COM DIODOS................................................................................................... 34 3.1 MULTIPLICADORES DE TENSÃO ......................................................................... 34 3.2 LIMITADORES (CEIFADORES) .............................................................................. 36 3.3 CIRCUITO GRAMPEADOR...................................................................................... 39 CAPÍTULO I V ......................................................................................................................... 41 CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 41 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 42 9 CAPÍTULO I INTRODUÇÃO Muitas pessoas não dão importância a esse diminuto componente que é o diodo, mas, ao analisarmos melhor o que ele faz, mudamos nossa maneira de pensar a respeito. O diodo, por mai simples que seja, é um componente vital e por trás de suas propriedades elétricas existe muitas histórias que abordaremos de forma resumida neste trabalho. 1.1 HISTÓRIA DO DIODO Um pesquisador britânico chamado J. A. Flerning em 1984 ao visitar o laboratório de Thomas Edison, observou um estranho efeito na então recém descoberta lâmpada incandescente. Quando o segundo eletrodo era colocado nas proximidades do filamento, e polarizado positivamente em relação a ele, detectava-se a passagem de uma corrente. Se a polaridade fosse invertida , isto é, o eletrodo , ou o elemento, fosse tornado negativo em relação ao filamento, nenhuma corrente passava. Figura 1 - Efeito Edison O "Efeito Edison" como foi chamado por algum tempo, foi apenas uma curiosidade. Mas, trabalhando , posteriormente, Flening chegava a um novo dispositivo eletrônico. Segundo ele afirmava, o dispositivo consistia num caminho de direção única para a corrente, que só poderia fluir num sentido. 10 Estava inventada a Válvula Diodo que logo se revelou útil na detecção de ondas de rádio na retificação e em muitas outras aplicações da então jovem Eletrônica. A válvula Diodo inventada por Flerning era um tubo de vidro no interior do qual se fazia vácuo. O filamento aquecia-se e emitia elétrons que então eram atraídos pelo eletrodo denominado placa ou anodo. Até hoje, encontramos válvulas deste tipo como a 6X4, 35W4, 5Y3 em rádios e outros aparelhos antigos. Figura 2 - Válvula diodo Em seguida, novos dispositivos foram aperfeiçoados pra fazer a detecção de corrente ou a retificação , originando assim diodos semicondutores. Os materiais usados eram então intermediários entre os bons condutores e os isolantes, chamados assim semicondutores, como o selênio , o germânio e o silício Como numa válvula eletrônica a corrente passava pelo vácuo existente entre os elementos, estes dispositivos passaram a ser diferenciados como "dispositivos a vácuo", enquanto que aqueles em que a corrente passará por metais semicondutores, passaram a ser chamados de "dispositivos de estados sólido". A estrutura de um diodo de estado sólido , ou um diodo semicondutor é bem diferente da estrutura de uma válvula. 11 Figura 3-Estrutura de um diodo no estado sólido. O que temos são dois pedaços de materiais semicondutores que adquirem propriedades elétricas, porque são "dopados" com impurezas diferentes. Assim, um material passa a ter a corrente circulante com elétrons em excesso, sendo por isso, chamado de material N, enquanto que o outro , a corrente passa basicamente pelas lacunas ou buracos (falta de elétrons), sendo por isso chamado de material P. Quando unimos um material N a um material P a junção passa a se comportar como um diodo , ou seja, só deixa passar a corrente num sentido. Figura 4 - Processo Quando a tensão é aplicada em "sentido inverso" ocorre uma separação maior da junção , que estão " se alargando" e praticamente nenhuma corrente pode circular. O diodo está polarizado no sentido inverso e não passa corrente. Quando a tensão é aplicada em "sentido direto" ocorre uma união de cargas na junção num processo denominado recombinação que faz com que uma corrente flua intensamente . O diodo pode então conduzir a corrente. Na figura 05 temos o símbolo usado para representar um diodo semicondutor. 12 Figura 5 - Representação de um diodo semicondutor Ao analisar , vimos que o diodo semicondutor é muito mais prático de usar que o diodo a vácuo. Além de precisar de menores tensões para começar a conduzir , este tipo de diodo não precisa ter seu filamento aquecido para que haja circulaçãode corrente. É muito comum hoje em dia a substituição de válvulas como a 35W4, 5Y3 , 6X4 por diodos semicondutores como o 1N4007 ou BY126 e BY127. Ex: Um rádio com esse tipo de válvula queimada pode ser substituída por diodos semicondutores. Curva Característica Analisaremos o comportamento eletrolítico dos diodos semicondutores. Na figura 06 a curva característica de um diodo, ou seja um gráfico em que obtemos o seu comportamento. Figura 6 - Curva Característica de um diodo 13 No primeiro(I) quadrante o diodo está polarizado no sentido direto. Depois veremos o que ocorre no terceiro (III) quadrante (polarização inversa). Pelo gráfico vemos que o diodo não começa a conduzir a corrente no sentido direto com qualquer valor. Dependendo do material que o diodo é feito isso pode acontecer mais cedo ou mais tarde. Assim, no caso do diodo de germânio só conseguimos ter uma condução total com uma tensão de 0,2 V. Antes disso, a resistência do diodo é alta e sua condução é precária. Para o silício está tensão está entre 0,6 e 0,7 V, o que significa que ele deve operar com tensões ainda maiores. Essa diferença é importante quando se deseja retificar sinais fracos. Por este motivo, é que se prefere usar diodos de germânio em rádios, como detectores em lugar de diodos de silício. Se um sinal for muito fraco o diodo de germânio consegue fazer a detecção, o que não ocorre com o diodo de silício. Figura 7 Depois de 0,2 ou 0,7 V a resistência do diodo cai tanto que ele se torna praticamente um curto circuito. Se não houver uma limitação externa , a corrente pode ser suficiente para queimá-lo. No sentido inverso vemos que o diodo não conduz com uma boa tensão aplicada no sentido em questão. No entanto existe um limite para o valor desta tensão . Existe um momento (Vz) em que a junção se rompe também neste sentido, e o diodo passa a conduzir. Na prática não podemos deixar que o diodo seja submetido a esta tensão, pois não só ele deixaria de ser um diodo como também queimaria. Existem diodos que podem operar nesta tensão, pois funcionariam como excelentes reguladores , que são os diodos zener, mas diodos comuns se estragam neste caso. 14 Assim, num diodo devemos sempre observar duas limitações para seu uso: a primeira é a máxima corrente que pode passar pela sua junção no sentido direto. Esta corrente pode variar entre alguns miliamperes, para pequenos diodos como 1N34, 1N4148 até 1A ou mais , para diodos como 1N4002, 1N4007, BY127 etc. A segunda é a tensão máxima que o diodo pode suportar no sentido inverso, sem que sua junção se rompa. Esta tensão é abreviada por PIV ( Tensão inversa de Pico). Para os Diodos Comuns pode variar entre 10 ou 20 V, até mais de 1000V. Quando usamos o diodo com uma fonte de sinal senoidal o PIV do diodo deve ser sempre maior que o valor de pico de tensão , pois pelo contrário correremos o risco de vê-lo queimado. Este foi um pequeno resumo da história do diodo , a partir daí surgiu outros tipos de diodos , os quais veremos agora. 15 CAPÍTULO II TIPOS DE DIODOS 2.1 DIODO RETIFICADOR São os diodos mais comuns, fabricados com o objetivo primordial de permitirem a passagem da corrente elétrica em um só sentido (polarização direta), cumprindo um papel indispensável na transformação de corrente alternada em corrente contínua. Possuem vários tamanhos e formatos, de acordo com a sua potência nominal. Figura 8 - Diodo retificador -simbologia Sem dúvida, a aplicação mais conhecida do diodo: é retificação que permite obter corrente contínuas a partir de corrente alternadas. Na figura 9 temos três processos comuns. Figura 9 - Três processos comuns de retificação Em (1) temos a retificação de meia onda em que o diodo conduz apenas os semiciclos positivos da tensão, carregando assim um capacitor que "aplaina" a tensão aplicada. 16 Em (2) temos uma fonte de onda completa onde são usados dois diodos: uma para cada semiciclo da tensão alternada de modo a termos uma corrente mais eficiente na carga , depois de "aplainada" pelo capacitor. Finalmente, em (3) temos a retificação em ponte que usa quatro diodos, conduzindo alternadamente dois a dois . Seu rendimento é o mesmo da fonte de onda completa com dois diodos. Os diodos retificadores são os diodos projetados para trabalhar com correntes mais intensas e eventualmente tensões elevadas, mas não tem grandes velocidades, pois se destinam basicamente a retificar corrente na rede de 50Hz ou 60Hz e eventualmente de 400Hz. 2.2 DIODO SCHOTTKY Walter Schottky foi um dos primeiros pesquisadores a notar a existência de vacâncias na estrutura de materiais semicondutores. Este tipo de estrutura com vacâncias foi mais tarde denominado “defeito Schottky”. Baseado em estudos preliminares, em 1938, postulou uma teoria que explicava o comportamento da retificação ocorrida pelo contato exercido entre um metal e um material semicondutor, como dependente da formação de uma barreira obtida por uma camada na superfície de contato entre aqueles dois materiais. Este princípio foi logo usado para a fabricação dos chamados diodos de barreira Schottky. Figura 10- simbologia de um diodo SCHOTTKY Os diodos de barreira Schottky ou de barreira de superfície são construídos de uma maneira diferente da junção p-n convencional. O semicondutor é normalmente de silício tipo n (embora em algumas ocasiões se utilize silício tipo p), e vários metais são utilizados, como molibdênio, platina, cromo ou tungstênio. Em ambos os materiais, o elétron é o portador majoritário. No metal, o nível de portadores minoritários (vacâncias ou buracos) é insignificante. Os diodos Schottky possuem características distintas como, a altura da barreira de potencial (depleção), corrente de condução reversa e a possibilidade de operar em altas frequências (a 17 figura 1 mostra a diferença do Diodo Schottky e um diodo de junção p-n para essa função), já que a corrente neste dispositivo é principalmente resultante do fluxo de portadores majoritários. Estrutura Existem várias estruturas de diodo Schottky, desde o diodo convencional formado apenas por um contato metálico na superfície do silício, até estruturas mais complexas que possuem anel de guarda e sobreposição de metal para melhorar as características elétricas do dispositivo. Alguns tipos de diodos serão citados abaixo: Diodo Schottky Convencional O diodo é formado apenas por um contato metálico no semicondutor. Este tipo de dispositivo geralmente possui características I-V direta e reversa não muito boas, apresentando alta corrente de fuga e baixa tensão de ruptura. Figura 11-Diodo Schottky Convencional Diodo Schottky com sobreposição de metal A sobreposição do metal é utilizada para eliminar os efeitos de borda para baixas tensões de polarização reversa do diodo. Esta estrutura pode ser formada utilizando-se óxido de silício nas bordas do diodo para formar sobreposição do metal. Figura 12-Diodo Schottky com sobreposição de metal Diodo Schottky com anel de guarda Possui o anel de guarda em sua estrutura para os efeitos de borda. O anel é formado por uma difusão do tipo p no substrato tipo n. A junção p-n formada pelo anel de guarda e o substrato 18 resolve o problema da terminação abrupta da região de depleção na borda do diodo convencional, permitindo o dispositivotrabalhar com tensões mais elevadas. Como este dispositivo possui alto valor de tensão de ruptura, ele é o mais adequado para aplicações de potência. Figura 13-Diodo Schottky com anel de guarda Diodo Schottky com grades de linha de difusão A grade é formada por linhas paralelas de difusão tipo p, ao invés de ter um anel de guarda na periferia do dispositivo. Figura 14-Diodo Schottky com grades de linha de difusão A corrente de fuga do diodo Schottky esta relacionada com o perímetro do dispositivo, pois a quantidade de defeitos existentes nas limitações do dispositivo (resultantes do corte da lâmina para encapsulamento dos dispositivos, tratamentos químicos, geração de portadores pelos estados de superfície na lateral, etc) é diretamente proporcional ao perímetro do dispositivo construído. Assim, quando estabelecida à área do dispositivo, é necessário projetá-lo para que ele possua o menor perímetro possível. A figura geométrica que apresenta o melhor resultado é o quadrado, já que para um mesmo valor de área ele apresenta o menor perímetro. Além de projetar dispositivos com o perímetro possível, o arredondamento dos cantos elimina o efeito das bordas, ou seja, a alta concentração de campo elétrico nesta região pode resultar em correntes de fuga. Deste modo, arredondando os cantos do contato metálico, diminuímos este efeito de degradação do dispositivo. 19 O circuito equivalente para o dispositivo (com valores típicos) e o símbolo normalmente utilizado aparecem nas Fig. 12 (a) e (b). Vários fabricantes preferem utilizar o símbolo padrão do diodo para o dispositivo, já que a função realizada pelos dois é praticamente a mesma. A indutância LP e a capacitância CP surgem devido ao encapsulamento, e rB é a resistência em série, que inclui a resistência de contato e do material. Para a maioria das aplicações, o circuito equivalente aproximado da Fig. 13, que inclui um diodo ideal em paralelo com a capacitância de junção, mostra-se bastante adequado. Figura 15- Diodo Schottky ( de portadores quentes) ; (a) circuito equivalente; (b) símbolo Figura 16-Circuito equivalente aproximado para o diodo Schottky Figura 17-Estrutura de um Diodo Schottky comum 20 Os diodos Schottky são dispositivos eletrônicos criados a partir da junção de um metal a um semicondutor, onde ambos possuem portadores majoritários de cargas negativas (elétrons). Este fato nos ajuda a entender a razão do uso do dispositivo em faixas de alta frequência, pois, não havendo cargas armazenadas o diodo pode entrar em corte mais rápido que um diodo comum. São aplicados e produzidos de acordo com a finalidade desejada, podendo ser utilizados diversos tipos de metais, e, para melhor rendimento algumas estruturas podem auxiliar no funcionamento do dispositivo eletrônico. 2.3 DIODO SCHOCKLEY O diodo shockley (nome dado em homenagem ao físico William Shockley), é um diodo semicondutor de 4 camadas. É como um diodo PNPN e é equivalente ao SCR com gate desconectado. Diferente de outros tipos de diodos semicondutores, o diodo shockley tem mais de uma junção PN. Ele pode ser utilizado em aplicações de chaveamento. Quando sua tensão é menor que a tensão de disparo, ele está em estado desligado, e ao atingir a tensão de disparo sua resistência diminui para um valor baixo e ele se comporta como um diodo normal com uma queda de tensão de aproximadamente 1.5V. Para desligar ele é necessário reduzir sua corrente para um valor abaixo da Ih(holding current), que é a corrente mínima necessária para o diodo conduzir. Atual uso dos diodos shockley O uso de diodos shockley hoje em dia está limitado apenas a aplicações de grande potência e mesmo assim não é normal. Esquema Substratos Dopados Age como 2 transistores Circuito Equivalente 21 Abaixo diodos de baixa potência da década de 1950 que foram doados ao Museu do Transistor. Figura 18-diodos de baixa potências 2.4 DIODO ZENER O diodo zener é construído especialmente para trabalhar na região da tensão de ruptura. Na figura 12 mostra a curva característica do diodo zener. A sua representação gráfica está indicada na Figura 13. Figura 19 - Curva característica do Diodo Zener. 22 Figura 20 - Símbolo do Diodo Zener. O diodo Zener comporta-se como um diodo comum quando polarizado diretamente. Nas suas aplicações práticas o zener deve ser polarizado reversamente e conectado em série com um resistor limitador de corrente, veja a Figura 14. Figura 21 - Circuito de operação do Diodo Zener. Figura 22-Reta de carga do diodo Zener Diodo zener ideal – o diodo zener ideal comporta-se como uma chave fechada para tensões positivas ou tensões negativas menores que – UZ . Ele se comportará como uma chave aberta para tensões negativas entre zero e – UZ, conforme representado na sua curva característica da Figura 12. 23 Corrente máxima no zener – a corrente máxima que o diodo zener suporta depende da potência e da tensão do diodo. 2.5 DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) O diodo emissor de luz (LED) é o que polarizado diretamente emite luz visível (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha (invisível). Ao contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material opaco, e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo, veja a Figura 16. É amplamente utilizado como elemento sinalizador em equipamentos devido a sua longa vida útil, baixa tensão de acionamento e alta eficiência. A polarização do LED é similar ao diodo comum, porém sempre em série com um resistor limitador de corrente, conforme a Figura 17. O LED é simbolizado com setas apontando para fora como símbolo de luz irradiada. Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica (U led) é de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA (I L). Figura 23 - Vista interna do led. Equação 1 Equação 2 24 Figura 24 - Circuito de polarização do led. 2.6 FOTODIODO É um diodo com uma janela transparente que torna sua pastilha semicondutora sensível à luz (Figura 18). O fotodiodo opera reversamente polarizado. Quando uma energia luminosa incide numa junção PN, injeta mais energia nos elétrons de valência e, com isso, gera mais elétrons livres. Quanto mais intensa for a luz na junção, maior será a corrente reversa no fotodiodo. O fotodiodo tem grande aplicação nos sistemas de comunicação de dados por meio luminoso, por se tratar de um excelente conversor de luz em sinal elétrico. Figura 25 - Fotodiodo Equação 3 25 Figura 26 - Símbolo e aspectos dos fotodiodos 2.7 DIODO TÚNEL Um componente extremamente simples, com características de resistência negativa pode ser usado em circuitos de altíssimas frequências. Desta forma podemos definir o diodo túnel que será explicado neste artigo. Além de analisarmos seu princípio de funcionamento daremos diversos circuitos práticos que vão surpreender os leitores pela sua simplicidade. Figura 27-diodo túnel O diodo túnel, como o nome diz, é um diodo mas com características de resistência negativa que permitem sua utilização em circuitos semelhantes aos osciladores de relaxação com transistores uni junção ou lâmpadas neon. No entanto, os diodos túnel tem algo mais: podem oscilar em frequências superiores a 1 Giga hertz o que os torna especialmente indicados para circuitos de altíssima frequência. Se bem que os diodos túnel não sejam componentescomuns, a possibilidade de se utilizar estes componentes em projetos pode ser interessante quando a exigência principal for simplicidade em circuitos de frequências muito altas. COMO FUNCIONA Na figura 21 temos o símbolo comumente adotado para representar o diodo túnel. 26 Figura 28 - Símbolo do diodo túnel Sua propriedades de resistência negativa vem da utilização de uma camada de deplexão ultra fina na junção que dota o componente de características de resistência negativa. O nome do componente vem do fato de que diferentemente dos demais semicondutores em que a resistência da barreira de potência depende até certo valor da tensão aplicada, existe um ponto em que esses portadores encontram como que um túnel por onde podem passar com facilidade, resultando assim numa curva característica que é mostrada na figura 22. Figura 29 - Curva característica Assim, quando aplicamos uma tensão no sentido direto o componente se comporta como um diodo comum até o instante em que ela atinge o ponto A. Este ponto ocorre com algumas dezenas de milivolts para os diodos túnel comuns e é denominado "ponto de pico". No entanto, a partir deste ponto quando a tensão aumenta, em lugar da corrente também aumentar ela diminui abruptamente até o denominado ponto de vale mostrado em B. Neste trecho temos então um comportamento "anormal" para o componente que passa a apresentar uma resistência negativa. Lembramos que a resistência no gráfico em questão é a cotangente do ângulo que a curva característica apresenta no ponto visado e neste caso temos valores negativos para o trecho entre A e B. 27 A partir do ponto B o aumento da tensão novamente causa o aumento da corrente quando então o componente passa a apresentar um comportamento semelhante aos demais componentes eletrônicos. No entanto, o importante da característica de resistência negativa que este componente apresenta e que é semelhante a dos transistores uni junção e da própria lâmpada neon é que o diodo túnel pode ser usado em osciladores de relaxação e até mesmo amplificar sinais. Como a ação do diodo túnel é extremamente rápida, o que não ocorre que lâmpadas neon e transistores uni junção cuja velocidade de operação limita sua aplicação a circuitos de no máximo algumas dezenas de quilo hertz, os diodos túnel podem ser usados em circuitos de altíssima frequência superando facilmente os 1 000 MHz ou 1 GHz. 2.8 VARICAP Os Varicaps são diodos otimizados para trabalharem em polarização reversa, apresentando maiores variações de capacitância em função do potencial reverso aplicado. Para baixas frequências são fabricados com silício, sendo usado o arsenieto de gálio para frequências mais elevadas. Figura 30 - Simbologia Figura 31 - Diodos varicap Quando reversamente polarizados, os diodos semicondutores apresentam em sua junção PN uma capacitância que é devida à presença de portadores de carga separados por 28 uma camada isolante (formada pela recombinação dos portadores). Essa região também é chamada de zona de depleção. Ao variarmos a tensão nos terminais desse diodo, variamos a separação destes portadores, ou seja, a largura dessa camada isolante, o que equivale a aumentar o meio dielétrico entre as placas energizadas de um capacitor. Dessa forma, atuando sobre a tensão no diodo, temos uma resposta na capacitância gerada. Em diodos semicondutores comuns, esse efeito não é muito expressivo ( é preciso uma grande variação de tensão para variar significativamente a capacitância). Por isso, os varicaps são construídos de modo a se ampliar esse efeito capacitivo, tornando-os mais sensíveis a variações de tensão, enquanto que os diodos comuns geralmente são feitos de forma a minimizar esse efeito. Aplicações: Aparelhos de televisão possuem um seletor de canais automático que contém diodos varicaps com a função de sintonizar as frequências dos canais recebidos em consequência da variação de tensão em seus catodos (polarização reversa), acarretando mudança de capacitância internamente nestes diodos. 2.9 DIODO PIN O nome é deve-se à existência de uma camada I (“intrínseca” – silício sem dopagem) entre as camadas P e N. Figura 32 - Simbologia Figura 33 - Funcionamento 29 Quando diretamente polarizado, buracos e elétrons são injetados na camada intrínseca I e as cargas não se anulam de imediato, ficam ativas por um determinado período. O efeito resulta numa carga média na camada que possibilita a condução. Na polarização nula ou inversa, não há carga armazenada e o diodo comporta-se como um condensador (capacitor) em paralelo com a resistência própria do conjunto. Com tensão contínua ou de baixa frequência, o diodo PIN tem um comportamento próximo do diodo de junção PN. Em frequências mais altas, de períodos inferiores ao tempo de duração das cargas, a resistência apresenta uma variação característica com a corrente. Isso dá ao componente aplicações variadas em altas frequências (atenuadores, filtros, limitadores). 2.10 DIODO LASES Os diodos LASER são componentes de extrema importância em inúmeras aplicações práticas. Os leitores de CDs tanto de música como de programas em computadores e os DVDs são exemplos de dispositivos que só existem graças ao diodo LASER. No diodo LASER o estímulo é mais intenso, com correntes maiores e além disso a própria estrutura do material favorece a absorção de uma quantidade maior de energia e portanto a obtenção da condição de inversão de população. Quando a energia é devolvida o dispositivo emite então a radiação que caracteriza o LASER. Os diodos LASER são dispositivos extremamente pequenos e eficientes. Os primeiros tipos emitiam radiação apenas na faixa do espectro correspondente ao infravermelho, mas hoje existem diodos LASER que emite luz na faixa visível e até ultravioleta. Também já se tem a notícia de que se conseguiu fabricar LASERs semicondutores com materiais mais comuns e baratos como o próprio silício o que permitiria a sua integração na mesma pastilha do circuito eletrônico que o excita. A Intel teria conseguido esse feito. Um exemplo de dispositivo muito comum que emite radiação visível (vermelha) a partir de um diodo LASER é o LASER POINTER mostrado na figura 27. Figura 34 - Laser pointer 30 Do tamanho de uma caneta comum este dispositivo emite um feixe que projeta uma seta ou outra forma indicadora num painel ou qualquer anteparo, sendo usado por conferencistas. O feixe muito estreito que gera esta imagem, mais a potência elevada permite a obtenção de uma seta indicadora muito brilhante, facilmente vista por todos. Na figura 11 temos o circuito eletrônico de excitação de um LASER desse tipo. Figura 35 - Circuito eletrônico de excitação de um laser Mas, é em dispositivos como o CD comum, o DVD e o CD-ROM que o LASER semicondutor manifesta toda sua utilidade. As informações num CD ou DVD são gravadas na forma de pequenas saliências ou "pits" numa superfície lisa. A leitura das informações ou dos "pits" que indicam os níveis lógicos 0 ou 1, é feita justamente por um feixe de luz emitido por um diodo LASER. Na presença do pit a luz se reflete de modo diferente do que quando ele está ausente e isso permite que um fotodiodo, usado como sensor e devidamente focalizado faça a leitura da informação à medida que o CD ou DVD se move. Quando o CD gira o sistema óptico de leitura acompanha as trilhas deslocando-se transversalmentede modo a procurar as trilhas e com isso as informações podem ser lidas. Considerando-se as dimensões dos pits fica claro que este dispositivo óptico de leitura deve ter enorme precisão, mas o mais importante é a densidade de informações que se consegue gravar num único CD. Mais de 550 Megabytes de informação que tanto pode ser som como informação digital podem ser colocadas num único CD. No caso do DVD, os pits são tão pequenos que o próprio comprimento de onda de um LASER infravermelho não é refletido. Por esse motivo, os LASERs dos DVDs são de comprimento de onda menor (vermelho) para poder ler os pits menores. Novas tecnologias que permitem ler "pits" em profundidades diferentes ou nas duas faces dos CDs também são usados para permitir que a quantidade de informação gravada seja muito maior, conforme mostra a figura 29. 31 Figura 36 - Representação No entanto, mesmo aumentando a densidade dos dados gravados ou modificando-se a profundidade, o diodo LASER ainda vai estar presente como principal dispositivo envolvido no processo de leitura. 2.11 DIODO GUNN O diodo Gunn tem uma característica bastante particular: é construído apenas com semicondutor tipo N, ao contrário do par PN dos demais. Na realidade, é um oscilador de micro-ondas. É assim denominado em homenagem a J Gunn, descobridor (em 1963) do efeito da geração de micro-ondas por semicondutores N. Figura 37 - Explicação 32 São construídos em três camadas conforme indicado na Figura 01 (a). A camada central tem um nível de dopagem menor. O dispositivo exibe característica de resistência negativa conforme gráfico (c) da mesma figura. O material semicondutor pode ser arsenieto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), este último para frequências mais elevadas. Podem oscilar em frequências de cerca de 5 GHz até cerca de 140 GHz. Em geral são fornecidos como parte de um conjunto oscilador conforme (d) da figura. (b) é o circuito equivalente do diodo oscilante na cavidade. A frequência gerada por um diodo Gunn depende principalmente da espessura da camada ativa. Entretanto, dentro de certos limites, ela pode ser ajustada pela ressonância da cavidade. Na figura citada, isso é dado pela haste de sintonia. 2.12 DIODO VARACTOR Os diodos varactores, também chamados de varicaps, são dispositivos semicondutores que se comportam como capacitores variáveis. Quando polarizados inversamente, têm uma capacitância que varia conforme a tensão aplicada. Eles são mais frequentemente utilizados em aparelhos que necessitam de ajuste eletrônico, como os rádios. Figura 38 - Simbologia Quando polarizados inversamente, os diodos varactores têm uma capacitância que varia conforme a tensão aplicada. Os diodos varactores são comumente encontrados em equipamentos de comunicação, onde o ajuste eletrônico é uma necessidade. Eles são importantes componentes ou aplicações de frequência de rádio. Além de serem referidos como varicaps, os varactores também são conhecidos como capacitores de tensão variável e como diodos de sintonia. Seu símbolo é um diodo colocado 33 diretamente ao lado de um capacitor. No aspecto, eles podem se parecer com capacitores ou diodos regulares. A capacitância de um varactor diminui quando a tensão inversa fica maior. Ele é geralmente colocado em paralelo com um indutor para formar um circuito ressonante de frequência. Quando a tensão inversa muda, o mesmo ocorre com a frequência ressonante, razão pela qual os varactores podem ser substituídos por capacitores sintonizados mecanicamente. Os diodos varactores são encontrados em rádios, receptores FM, televisores e microondas. O efeito de capacitância de tensão variável ocorre em todos os diodos, mas os varactores são feitos especificamente para esse fim. Em um díodo de polarização reversa, a camada de depleção torna-se mais ampla quando a tensão reversa aumenta. Isso obriga a capacitância a tornar-se menor, o que é equivalente a puxar em separado as placas dos capacitores. A força desse efeito de capacitância depende da quantidade de dopagem utilizada, pois o nível de dopagem determina a largura da camada de depleção, mediante a aplicação de uma tensão reversa. Os circuitos varactores são utilizados em situações de alta tensão, como por exemplo nos televisores, e essas tensões podem ser tão elevadas quanto 60 V. O uso incorreto desses dispositivos pode, portanto, ser perigoso, e, por isso, um eletricista profissional deverá ser chamado. 34 CAPÍTULO III CIRCUITOS COM DIODOS 3.1 MULTIPLICADORES DE TENSÃO O multiplicador de tensão é um circuito com dois ou mais diodos retificadores que produzem uma tensão média igual a um múltiplo do valor da tensão de pico (2VP, 3VP, 4Vp etc.). Este tipo de arranjo é utilizado em dispositivos de alta ou baixa corrente, como os tubos de raios catódicos. Dobrador de Tensão de Meia onda No pico do semiciclo negativo, D1 está polarizado diretamente e D2 reversamente, isto faz C1 carregar até a tensão Vp. No pico do semiciclo positivo, D1 está polarizado reverso e D2 direto. Pelo fato da fonte e C1 estarem em série, C2 tentará se carregar até 2Vp. Depois de vários ciclos, a tensão através de C2 será igual a 2Vp. Figura 39 - Circuito Dobrador de Tensão de meia onda Dobrador de Tensão de Onda Completa Utiliza ambos os semiciclos da onda de entrada, assim a saída da ondulação é de 120 Hz. Essa frequência de ondulação é uma vantagem porque isso facilita a operação do filtro. Uma outra vantagem do dobrador de onda completa é que a tensão reversa nominal, PIV, dos diodos pode ser apenas maior que Vp. A desvantagem do dobrador de onda completa é quanto à falta de um ponto comum entre a entrada e a saída. Se aterrarmos o terminal do resistor de carga na a fonte fica em flutuação. 35 Figura 40 - Circuito Dobrador de tensão de Onda Completa. Triplicador de Tensão Os dois primeiros retificadores de pico funcionam como um dobrador de tensão de meia onda. No pico do semiciclo negativo, 3° fica diretamente polarizado carregando C3 a 2Vp. A saída do triplicador aparece entre CI e C3 A resistência de carga é conectada na saída do triplicador. Enquanto a constante de tempo for alta, a saída será aproximadamente igual a 3Vp. Figura 41-Circuito Triplicador de Tensão Quadriplicador de Tensão A Figura 42 mostra um quadriplicador de tensão com quatro retificadores de pico em cascata (um após o outro). Os três primeiros formam um triplicador e o quarto completa o circuito quadriplicador. O primeiro capacitor carrega com Vp; todos os outros carregam com 2Vp. A saída do quadriplicador é entre a conexão em série de C3 e C4. Como sempre, uma resistência de saída alta (alta constante de tempo) é necessária para que a saída se mantenha próxima de 4Vp. 36 Figura 42-Circuito Quadriplicador de Tensão Multiplicador de Tensão Teoricamente, podemos adicionar seções indefinidamente, contudo, a ondulação piora a cada seção adicionada. É por isso que os multiplicadores de tensão não são usados nas fontes de alimentação de baixos valores, que são as mais encontradas. Conforme dito anteriormente, os multiplicadores de tensão são quase sempre usados para produzir alta tensão, de centenas e até milhares de volt. Figura 43- Circuito Multiplicador de Tensão 3.2 LIMITADORES (CEIFADORES) Circuitos ceifadores (também conhecidos como limitadores de tensão, seletores de amplitude ou cortadores) são aquelesque ceifam parte do sinal aplicado em suas entradas. Os principais circuitos ceifadores são aqueles que utilizam diodos, resistores e baterias. Um 37 ceifador de sinal elimina parte de uma onda e passa somente o sinal que ocorre acima ou abaixo de um determinado nível de tensão ou de corrente. As aplicações incluem a limitação de amplitudes excessivas, formação de ondas e o controle da quantidade de potência entregue a uma carga. Você certamente já estudou um circuito retificador de meia-onda. O retificador de meia-onda funciona como um ceifador de sinal eliminando uma alternação inteira. Dependendo da orientação do diodo, a região positiva ou negativa do sinal de entrada é ceifada. Há duas categorias de ceifadores: série e paralelo. A configuração série é definida como aquela que tem o diodo em série com a carga, enquanto a paralela tem o diodo em um ramo paralelo à carga. Ceifador em série: Figura 44 - Ceifadores em série Para a análise de um circuito ceifador, algumas ideias auxiliam na busca de uma solução: 1) Imagine um esboço da resposta do circuito baseado na direção do diodo e nos níveis de tensão aplicados. Para o circuito da figura acima, a direção do diodo sugere que o sinal de entrada seja maior do que a tensão da fonte para ligar o diodo. 2) Determine a tensão aplicada (tensão de transição) que causará a mudança de estado do diodo. Para o diodo ideal, a transição entre os estados ocorrerá no ponto em que a queda de tensão no diodo for 0 V e a corrente for 0 A. A aplicação desta condição no circuito da figura acima, o valor de Ventrada que causará uma transição do estado é Ventrada = V. Para um diodo real, a transição entre os estados ocorrerá no ponto em que a queda de tensão no diodo for de 0,7 V (silício) ou 0,3 V (germânio). A aplicação destas condições no circuito da figura acima, o valor de Ventrada que causará uma transição é Ventrada = V + 0,7 V (silício) ou Ventrada = V + 0,3 V (germânio). 3) esteja sempre ciente dos terminais e da polaridade de Ventrada. Exemplo: Determinar a forma da onda de saída para o circuito da figura abaixo. 38 Figura 45 - Forma de onda A figura sugere que o diodo estará no estado ligado para a região positiva de Ventrada. Para um diodo ideal Vsaida = Ventrada + 5V e o nível de transição ocorre em Ventrada = -5 V. Para um diodo de silício, Vsaida = Ventrada + 5 V – 0,7 V e o nível de transição ocorre em Ventrada = - 4,3 V. Ceifador em paralelo: O circuito da figura abaixo é o mais simples das configurações em paralelo com diodos. A análise das configurações em paralelo é muito semelhante à utilizada em configurações em série. Para fins de análise, devemos utilizar a curva de transferência de cada circuito, que consiste num gráfico, o qual relaciona a tensão de saída com a tensão de entrada. Figura 46 - Circuito Analisando o circuito, supondo o diodo como ideal, teremos que para o semiciclo positivo da tensão de entrada, ate esta atingir o valor da bateria V, o diodo estará cortado, pois, a resultante das tensões, faz com que este fique reversamente polarizado, aparecendo na saída o próprio sinal de entrada. Quando a tensão de entrada atingir o valor de V, o diodo entrara em condução, fazendo a tensão de saída ser igual a V. A partir disso, a tensão de entrada atinge VMAX e decresce, ficando esta variação como queda de tensão no resistor R, continuando a 39 saída com o valor V. Quando a tensão de entrada, decrescendo atingir um valor menor do que V, o diodo volta a condição de não condução, que prossegue durante todo o semi-ciclo negativo, fazendo com que na saída volte a aparecer o sinal de entrada. Teremos portanto, no trecho compreendido entre V e Vmax, parte do semi-ciclo positivo ceifado, obtendo-se assim um circuito ceifador positivo. Na curva de transferência, temos uma reta inclinada de 45o com coeficiente de transferência igual a 1, ou seja, toda tensão de entrada é transferida à saída sem modificações. Quando a tensão de entrada for maior do que V, a característica de transferência é paralela ao eixo de tensão de entrada, fixada no valor V, assim sendo, a toda variação da tensão de entrada, na saída, aparecera esse valor. 3.3 CIRCUITO GRAMPEADOR São circuitos que possibilitam a alteração do nível cc de um sinal para algum valor desejado; esta alteração é denominada grampeamento; Figura 47 - Formas de ondas de um circuito grampeador. Grampeador Positivo sem Polarização O circuito insere nível cc positivo no sinal de saída de modo que o valor mínimo de Vo fique “grampeado” em 0 V (-0,7 V, considerando a queda de um diodo de silício). 40 Figura 48 - Grampeador positivo sem polarização Grampeador Positivo com Polarização O circuito insere nível cc positivo no sinal de saída de modo que o valor mínimo de Vo fique “grampeado” em Vf (Vf - 0,7 V, considerando a queda de um diodo de silício). Figura 49 - Grampeador positivo com polarização Grampeador Negativo com Polarização O circuito insere nível cc negativo no sinal de saída de modo que o valor máximo de Vo fique “grampeado” em Vf (Vf + 0,7 V, considerando a queda de um diodo de silício). Figura 50 - Grampeador negativo com polarização 41 CAPÍTULO I V CONCLUSÕES Muitas pessoas não dão importância a esse pequeno componente que é o diodo, porém, com esse trabalho, mudamos nossa maneira de pensar. Este trabalho foi de extrema importância para o aprendizado da equipe, a qual aprendeu sobre a história do diodo, os vários tipos de diodo e seus circuitos. 42 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. Vol. I - 4.ª; Ed. Makron Books: São Paulo, 1995. [2] BOYLESTAD, R. L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos; Ed. Prentice Hall: São Paulo, 2004. [3] BERTOLI, Roberto Ângelo. Eletrônica; UNICAMP, 2000. [4] BARBI, Ivo, Eletrônica de Potencia – 6ª edição, Ed. Do autor: Florianópolis, 2005. [5] FÓRUM DO CLUBER DO HARDWARE [6] Houaiss, Antônio (2001). "Díodo". Dicionário Houaiss da Língua Portuguesa VII. Ed. Instituto Antônio Houaiss de Lexicografia. Lisboa: Temas & Debates. 3001. [7] Ferreira, Aurélio Buarque de Holanda (1986). "Diodo". Novo Dicionário da Língua Portuguesa (2 ed.). Rio de Janeiro: Nova Fronteira. p.592. [8] Instituto Newton C Braga. Consultado em 29 de abril de 2016.
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