MODELOS CKT DIODO ch3

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Cap 3 Diodo 
 3.1 Diodo Ideal
 3.2 Junção PN como um Diodo
 3.3 Aplicações de CKT com Diodos
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Circuitos com Diodo
 Após estudar a Física dos Semicondutores abordaremos o 
comportamento dos Diodos como elemento de Circuitos e 
suas aplicações.
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Aplicação: Carregador de Telefone Celular
 Uma importante aplicação com Diodos em Carregadores de Baterias.
 Após o transformador, a Caixa - Preta com Diodos atua como 
retificador de meia-onda do sinal senoidal. 
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 Diodo Ideal
 Em um diodo ideal, se a tensão no Anodo é maior que a tensão no Catodo (polarização 
direta) o Diodo conduz (haverá fluxo de corrente) e o semicondutor pode ser modelado por 
um curto-circuito.
 Em um diodo ideal, se a tensão no Anodo é menor que a tensão no Catodo (polarização 
reversa/inversa) o Diodo não conduz (não haverá fluxo de corrente) e o semicondutor pode 
ser modelado por um circuito aberto.
 Componente mecânico análogo: Válvula de Retenção.
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Diodos em Série
 Diodos não podem ser conectados em série de modo aleatório. 
 Para os circuitos acima, somente a configuração a) permite a 
condução de corrente elétrica, de A to C.
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 Características (I x V) do Diodo Ideal
 Se a tensão Anodo e Catodo é positiva (polarização direta), a 
resistência do diodo ideal é zero e a corrente será infinita.
 No entanto, se a tensão Anodo e Catodo é negativa (polarização 
inversa), a resistência do diodo ideal é infinita e a corrente será nula.
R=0⇒ I= VR=∞
R=∞⇒ I= VR=0
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 Diodos Ideal na configuração Anti - Paralelo 
 Se dois diodos são conectados na configuração anti - paralelo, ele 
atua como um curto - circuito, independente da polarização.
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Combinação Diodo - Resistor
 A Curva Característica (V x I) da combinação diodo - resistor é nula 
para polarização negativa.
 Para polarização positiva, a Curva (V x I) segue a Lei de Ohm ( V=R.I ).
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Implementação do Diodo como Porta Lógica ´´OU´´
 Vout = Va, Va > Vb
 Vout = Vb, Va < Vb
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Características Entrada / Saída
 Quando Vin é menor que zero, o diodo atua como CKT aberto e Vout = Vin.
 Quando Vin é maior que zero, o diodo atua como curto CKT e Vout = 0. 
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Aplicação: Diodo Retificador
 Um retificador é um dispositivo que deixa passar o semi - ciclo 
positivo da senoide e bloqueia o semi - ciclo negativo, ou vice versa.
 Quando Vin é maior que zero, o diodo atua como curto ckt e Vout = Vin.
 Quando Vin é menor que zero, o diodo atua como ckt aberto e Vout = 0. 
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Indicador do Valor Médio do Sinal
O valor médio do sinal na saída do um retificador de meia onda, Vout,avg, 
pode ser usado como um indicador de intensidade do sinal de entrada, 
uma vez que Vout,avg é proporcional Vp, amplitude do sinal de entrada.
V out,avg=
1
T ∫0
T
V out ( t)dt=
1
T ∫0
T /2
V psinωtdt
1
T
V p
ω
[−cosωt ]0
T /2=
V p
π
T
2≤t≤T
, paraV out=V psinωt=0
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Diodo como Limitador
A finalidade de um limitador é forçar a saída a permanecer abaixo de um 
determinado valor. 
A adição de uma bateria VB obriga o diodo a conduzir quando V1 > VB.
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Limitador: Bateria Variável
Um caso interessante ocorre quando a tensão na bateria varia.
Não ocorre retificação quando VB > VP .
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Diferentes Modelos para o Diodo
(a) modelo ideal do diodo. 
(b) modelo exponencial.
(c) modelo de tensão constante
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Características de Entrada / Saída utilizando Modelos 
Ideal e Tensão Constante
Os circuitos acima mostram a diferença entre os modelos Tensão Constante (d) e o Ideal (b);
Diferentes modelos determinam “pontos de quebra ” distintos;
No modelo Ideal o ponto de quebra é Vin = 0 V;
No modelo Tensão Constante o ponto de quebra é Vin = VD,ON.
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Característica de Entrada / Saída
Modelo Tensão Constante 
Quando se utiliza o modelo Tensão Constante, a queda de 
tensão no diodo não é mais nula, mas VD quando ele conduz.
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 Modelo Exponencial
Neste exemplo, uma vez que os dois diodos têm áreas de secção 
transversal diferentes, só o modelo exponencial pode ser utilizado.
As duas correntes ID1 e ID2 são calculadas como se segue:
Iin = ID1 + ID2 , ID1 = Is1 exp (VD1/VT), ID2 = Is2 exp (VD2/VT) e VD1 = VD2 .
ID1=
I in
1+
I s 2
I s1
ID2=
I in
1+
I s 1
I s 2
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 Modelo Tensão Constante - Exemplo
Este exemplo mostra a importância de uma boa estimativa inicial e confirmação 
cuidadosa.
A estimativa inicial: Se Vin é negativo, D1 conduz (curto ckt) e d2 não conduz (ckt aberto)
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 Adaptador para Telefone Celular
Vout = 3 VD,on é usado para carregar telefones celulares.
No entanto, as alterações Ix (que provocam variação em Vd), ou vice-versa, 
requerem um método iterativo para se obter uma solução, motivando a adoção 
de um modelo mais simples; o modelo Tensão Constante.
V out=3VD
¿3V T ln
I X
I s
Ix
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Análise de Pequenos Sinais
Análise de Pequenos Sinais é realizada em torno de um ponto de 
polarização/operação. 
Variando a tensão VD por uma quantidade pequena observa-se uma 
variação linear resultante na corrente ID. 
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Análise de Pequenos Sinais
Se dois pontos sobre a curva I x V de um diodo estão suficientemente 
perto, a trajetória que liga o primeiro (A) ao segundo (B) é como uma 
linha reta com a inclinação sendo o fator de proporcionalidade entre a 
variação na tensão e a variação de corrente.
ΔID
ΔV D
=
dID
dV D
|
VD=VD1
=
I s
V T
exp
V D1
V T
=
I D1
V T
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Resistência Dinâmica do Diodo (rd) na Análise de 
Pequenos Sinais
Uma vez que há uma relação linear entre a corrente e tensão de um 
diodo, para pequenos sinais o diodo pode ser visto como uma 
resistência linear.
rd=( dIDdV D )
−1
=
V T
ID
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Análise de Pequenos Sinais 
Aplicando-se uma tensão senoidal V(t) com valor médio/CC V0 e pequena 
amplitude Vp , a corrente resultante I(t) é também uma pequena senoide em 
torno de um valor médio/CC I0 e amplitude Ip.
ID( t )=I 0+I pcosωt=I s exp
V 0
V T
+
I 0
V T
V pcosωtV ( t )=V 0+V p cosωt
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Aplicações do Diodo
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Retificador de Meia - Onda
Uma aplicação muito comum de diodos é o Retificador de Meia Onda, 
onde somente meio ciclo da entrada, positivo ou o negativo, é 
bloqueado.
Como gerar uma saída constante?
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Circuito Diodo - Capacitor 
Modelo Tensão Constante
Se a resistência no retificador de meia-onda é substituída por um 
condensador/capacitor, uma saída de tensão fixa é obtida desde que o 
condensador (suposto ideal) não descarregue. 
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Circuito Diodo - Capacitor 
Modelo Ideal
Note que (b) representa a Tensão Reversa sobre o diodo (Vout -Vin).
A curva da Tensão Reversa sobre o diodo é exatamente a curva de Vin 
deslocada para baixo de Vp = Vout .
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Circuito Diodo - Capacitor 
com Carga Resistiva
Um caminho via RL está disponível para capacitor descarregar. 
Portanto, Vout não será constante e haverá uma ondulação/ ripple.
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Comportamento para diferentes valores de 
Capacitores
Para maiores valores de C1, Vout terá ondulação/ripple menor. 
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Amplitude de Ripple Pico a Pico
A Tensão de ondulação ou Amplitude Ripple (VR) é a parte decrescente da 
exponencial.
A Tensão de Ondulação torna-se um problema quando acima da faixa de 5% a 
10% da tensão de saída.
V out( t )=(V p−VD,on )exp
−t
RLC1
V out( t )≈(V p−VD,on )(1−
t
RLC1
)≈(V p−V D,on)−
V p−V D,on
RL
t
C1
V R≈
V p−V D,on
RL
⋅
T in
C1
≈
V p−V D,on
RLC1 f in
0≤t≤T in
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 Corrente Máxima do Diodo
O diodo tem a sua corrente máxima em t1, já que é quando a 
inclinação da curva Vout é o maior.
Esta corrente deve ser cuidadosamente controlada visando não 
danificar o dispositivo.
I p≈C1ωinV p√ 2V RV p +V pRL≈V pRL (RLC1ωin√ 2V RV p +1 )
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Retificador de Onda - Completa
Um retificador de onda completa deixa passar ambos os ciclos da 
entrada (positivos e negativos) e reduz a ondulação / ripple por um 
fator de dois.
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A Evolução de Retificador de Onda Completa
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Retificador de Onda Completa: Ponte Retificadora
A figura acima mostra um retificador de onda completa, em que D1 e D2 
deixam passar o meio ciclo negativo da entrada e D3 e D4 deixam 
passar o meio ciclo positivo.
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Características de Entrada / Saída de um Retificador 
de Onda Completa (Modelo Tensão Constante)
A Zona Morta surge porque Vin deve ser maior que 2 VD,ON , isto é, 
|Vin | > 2 VD,ON , para que os diodos (D1 e D2) ou (D3 e D4) conduzam. 
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Circuito Completo - Retificador Onda Completa
a) Desde que C1 descarregue por apenas ½ de período, a tensão de ondulação/ripple é 
reduzida por um fator de 2. 
b) Cada diodo está sujeito a, aproximadamente, uma polarização reversa máxima de Vp 
c) No retificador de meia onda a polarização reversa máxima é de 2Vp.
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Fluxo de Corrente em cada Diodo na Ponte Retificadora
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Resumo dos Retificadores
Meia Onda x Onda Completa
Retificador de onda completa é mais adequado às aplicações como 
Adaptador e Carregador, devido aos menores valores de amplitude de 
ripple e Tensão Reversa.
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Regulador de Tensão
A ondulação criada pelo retificador pode ser inaceitável para cargas 
sensíveis; 
Um regulador é necessário para obter uma saída mais estável.
Três diodos funcionam como um regulador simples.
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Regulação de Tensão com Diodo Zener
A regulação da tensão pode ser conseguida com o diodo Zener. 
Desde que rD seja pequeno, grandes alterações na entrada não serão 
refletidas na saída.
V out=
rD
rD+R1
V in
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Regulação da Linha (Vin ) x Regulação da Carga (IL)
Regulação da Linha: Reduz as variações em Vout mesmo que haja 
variações na linha, em Vin (b).
Regulação da Carga: Reduz as variações em Vout mesmo que haja 
variações na corrente de carga, em IL (c).
V out
V in
=
rD1+rD2
rD1+rD2+R1
|
V out
I L
|=(rD1+rD2)||R1
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Evolução do Conversor AC-DC
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Circuitos Limitadores 
A motivação para o uso de circuitos limitadores é manter o sinal abaixo 
de um limite para que ele não sature todo o circuito.
Quando um receptor está próximo a uma estação de base, os sinais são 
de elevada intensidade e circuitos limitadores podem ser necessários.
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Características - Entrada/Saída
Observe os limites da tensão na saída.
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Circuitos Limitadores usando Diodo: 
Limitar o Ciclo Positivo
Como foi estudado anteriormente, a combinação de resistência e diodo 
cria um efeito limitante.
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Circuitos Limitadores usando Diodo: 
Limitar o Ciclo Negativo
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Circuitos Limitadores usando Diodo: 
Limitar os Ciclos Positivo e Negativo
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Circuitos Limitadores Gerais
Duas baterias em série com os diodos antiparalelos controlam as 
tensões limites. 
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Características Não-ideais/Modelo Real
Circuitos Limitadores
A região de recorte não é exatamente plana, pois quando Vin aumenta, 
as correntes através de diodos variam, e assim a queda de tensão no 
diodo também varia (Modelo Real).
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 Divisor Capacitivo
ΔV out=ΔV in ΔV out=
C1
C1+C2
ΔV in
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Pico: -2Vp
Quando Vin aumenta, D1 conduz e Vout é zero.
Quando Vin diminui, D1 corta e Vout cai com Vin de zero a 
-2Vp, dobrando a tensão.
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Pico: +2Vp
No entanto, quando o catodo é conectado ao capacitor, um 
duplicador de tensão com valor pico a 2Vp pode ser obtido.
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Dobrador de Tensão
 O aumento na Saída de Vp, Vp/2, Vp/4, etc em cada ciclo de 
entrada, eventualmente leva a saída a 2 Vp.
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