Unidade I – Diodo semicondutor

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02/02/2018
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ELETRÔNICA ANALÓGICA I
Prof. Raimundo Nonato das Mercês Machado
Unidade I – Diodo Semicondutor
� Diodo semicondutor
2IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Germânio e Silício
� Átomo de Silício (Si)
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
3IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Átomo e Silício
� Estrutura cristalina
� Ligações covalentes
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
4IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Átomo de Silício
� Buracos ou lacunas
� Recombinação
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
5IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Semicondutor intrínseco
� Fluxo de elétrons livres
� Fluxo de buracos
� Pares elétron-lacuna
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
6IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Semicondutor dopado
� Aumento do número de elétrons
� Aumento do número de buracos
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
7IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Semicondutor extrínseco
� Semicondutor tipo n
� Dopado com impurezas pentavalentes
� Antimônio e fósforo
� Impurezas doadoras
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
8IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Semicondutores
� Semicondutor extrínseco
� Semicondutor tipo p
� Dopado com impurezas trivalentes
� Alumínio, boro e gálio
� Impurezas aceitadoras
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
9IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Formação do diodo
� Junção p-n
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
10IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Formação do diodo
� Junção p-n
� Geração de íons
� Barreira de potencial
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
11IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Diodo polarizado
� Polarização direta
� Fluxo de elétrons
� Fluxo de buracos
� Tensão da barreira de potencial
� Variação da tensão da barreira de potencial com o aumento da
temperatura.
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
12IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Diodo polarizado
Eletrônica Analógica I
� Polarização inversa
� Corrente de portadores minoritários
� Aumento da camada de depleção
� Corrente reversa
� Tensão de ruptura
� Corrente de saturação
� A corrente de saturação
duplica para cada aumento
de 10 °C na temperatura.
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� Diodo semicondutor
13IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Diodo polarizado
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.1
� Considerando-se um diodo de silício Calcular:
� A barreira de potencial a 95 ºC e a -5 ºC, se a mesma é 0,7 V a 25 ºC.
� A corrente de saturação a 90 ºC se a mesma é de 10 nA em 25 ºC.
� Diodo semicondutor
14IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Característica do diodo
� Símbolo do diodo
� Circuito de polarização
direta
� Circuito de polarização
inversa
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
15IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Característica do diodo
� Curva característica
� Diodo semicondutor
16IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Silício x Germânio
� Is (Si) = 10 nA.
� Is (Ge) = 1 uA.
� Característica do diodo
� Curva característica
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� Diodo semicondutor
17IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Característica do diodo
� Efeito de temperatura
� Diodo semicondutor
18IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Característica do diodo
� Especificações máximas
� Tensão inversa repetitiva de pico (PIV)
� 1N4001
� PIV = 50 V
� Corrente máxima de polarização direta (Io)
� Corrente retificada média de polarização direta (monofásica, carga
resistiva, 60 Hz, Ta = 75 ºC)
� 1N4001
� Io = 1 A
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� Diodo semicondutor
19IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Característica do diodo
� Especificações máximas
� Queda de tensão de polarização direta (VF)
� Queda de tensão máxima instantânea em polarização direta (IF =
1,0, Tj = 25 ºC)
� 1N4001
� VF = 0,93 V (Típico)
� VF = 1,1 V (Máximo)
� Corrente inversa máxima (IR)
� 1N4001
� Tj = 25 ºC
� IR = 0,05 uA (Típico)
� IR = 10 uA (Máximo)
� Tj = 100 ºC
� IR = 1,0 uA (Típico)
� IR = 50 uA (Máximo)
� Diodo semicondutor
20IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Característica do diodo
� Resistência do diodo
� Resistência DC.
� Resistência interna.
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� Diodo semicondutor
21IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Característica do diodo
� Exemplo 1.2.
� Dada a curva do diodo operando a 25 ºC com ID aproximadamente a 50
mA, calcular:
� A resistência DC.
� A resistência para pequeno sinal.
� A potência dissipada.
� Repetir para uma temperatura de 100 ºC.
� Diodo semicondutor
22IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Equivalente elétrico
� Diodo ideal
� Circuito de polarização direta
� Circuito de polarização inversa
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
23IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Equivalente elétrico
� Diodo real considerando VJ
� Circuito de polarização direta
� Circuito de polarização inversa
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
24IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Equivalente elétrico
� Diodo real considerando VJ e RB
� Circuito de polarização direta
� Circuito de polarização inversa
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
25IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Equivalente elétrico
� Exemplo 1.3.
� O diodo para cada circuito abaixo, tem Vj = 0.7 V e RB = 0.32 Ω. Usando
as três aproximações para o diodo calcular:
� A corrente e a tensão no diodo.
� A potencia dissipada no diodo.
� A corrente e a tensão na carga.
� A potencia dissipada na carga.
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
26IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Reta de carga
� Equação da reta de carga
� Ponto de operação (Q)
� Corte
� Saturação
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
27IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Reta de carga
� Exemplo 1.4.
� Considere-se um diodo em série com um resistor de 200 Ω e uma fonte
de tensão de 2 V. Dada a curva característica do diodo calcular:
� A corrente e a tensão no diodo.
� A potência dissipada do diodo.
� A corrente e a tensão no resistor.
� A potência dissipada no resistor.
Eletrônica Analógica I
� Diodo semicondutor
28IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Transformador
� �� - Tensão do primário
� �� - Tensão do secundário
� �� - Número de espiras do primário
� �� - Número de espiras do secundário
� �� - Corrente do primário
� �� - Corrente do secundário
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� Diodo semicondutor
29IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador de meia onda
� Tensão de pico de saída
� Tensão DC de saída
� Diodo semicondutor
30IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador de meia onda
� Corrente DC de saída
� Corrente DC no diodo
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� Diodo semicondutor
31IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador de meia onda
� Tensão inversa de pico (PIV)
� Frequência de ondulação de saída.
� Retificador de onda completa com transformador com
derivação central.
� Tensão de pico de saída
� Tensão DC de saída
� Diodo semicondutor
32IFPA-Prof.Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
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� Retificador de onda completa com transformador com
derivação central.
� Corrente DC de saída.
� Corrente DC no diodo
� Diodo semicondutor
33IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador de onda completa com transformador com
derivação central.
� Tensão inversa de pico (PIV)
� Frequência de ondulação de saída.
� Diodo semicondutor
34IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
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� Diodo semicondutor
35IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador em ponte
� Tensão de pico de saída
� Tensão DC de saída
� Diodo semicondutor
36IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador em ponte
� Corrente DC de saída
� Corrente DC no diodo
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� Diodo semicondutor
37IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador em ponte
� Tensão inversa no diodo
� Frequência de ondulação de saída.
� Diodo semicondutor
38IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.5.
� Para cada retificador, com �� � �			� e tensão no secundário do
transformador de ��	��
�, considerando-se o diodo ideal calcular: (a) a
tensão de pico no secundário (b) a tensão de pico na carga; (c) a PIV
no diodo; (d) a tensão DC na carga; (e) a corrente DC na carga; (f) a
tensão DC no diodo; (g) a corrente DC no diodo; (h) a frequência de
ondulação de saída.
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� Diodo semicondutor
39IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.6.
� Repetir o Exemplo 1.5 considerando que o diodo tem �� � 	. �	�.
� Exemplo 1.7.
� Repetir o Exemplo 1.5 considerando que o diodo tem �� � 	. �	� e
�� � 	. ��	�.
� Diodo semicondutor
40IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador com filtro a capacitor
� Circuito de meia onda
� Efeito da carga
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� Diodo semicondutor
41IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador com filtro a capacitor
� Circuito de onda completa
� Diodo semicondutor
42IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador com filtro a capacitor
� Ondulação na saída
� ���� - tensão pico a pico da ondulação.
� � - corrente DC na carga.
� � – frequência da ondulação na carga.
� � – capacitância.
� Tensão e corrente DC de saída
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� Diodo semicondutor
43IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador com filtro a capacitor
� Corrente no diodo
� Meia onda
� Onda completa
� Ponte
� Diodo semicondutor
44IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Retificador com filtro a capacitor
� Tensão no diodo
� Meia onda
� Onda completa
� Ponte
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� Diodo semicondutor
45IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.8.
� Para cada retificador estudado com capacitor de filtro de 20 µF,
�� � �	�� e tensão no secundário do transformador de ��	��
� ,
considerando-se o diodo ideal calcular: (a) a tensão de pico no
secundário (b) a tensão de pico na carga; (c) a PIV no diodo; (d) a
frequência de ondulação de saída (e) a tensão de ondulação na carga;
(f) a tensão DC na carga; (g) a corrente DC na carga; (h) a corrente DC
no diodo; (i) a queda de tensão no diodo.
� Diodo semicondutor
46IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.9.
� Repetir o Exemplo 1.8 considerando que o diodo tem �� � 	. �	�.
� Exemplo 1.10.
� Repetir o Exemplo 1.8 considerando que o diodo tem �� � 	. �	� e
�� � 	. ��	�.
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� Diodo semicondutor
47IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.11.
� A tensão no secundário do transformador no circuito é 40 Vac. (a) Qual
a tensão DC em cada resistor de carga? (b) Qual a corrente DC em
cada carga? (c) Qual a corrente DC através de cada diodo? (d) Qual a
tensão inversa máxima sobre cada diodo?
� Diodo semicondutor
48IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Multiplicadores de tensão
� Dobrador de tensão
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� Diodo semicondutor
49IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Multiplicadores de tensão
� Triplicador de tensão
� Quadruplicador de tensão
� Diodo semicondutor
50IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Limitadores
� Limitador positivo
� Limitador negativo
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� Diodo semicondutor
51IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Limitadores
� Limitador polarizado
� Limitador positivo
� Limitador negativo
� Diodo semicondutor
52IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Limitadores
� Associação de limitadores
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� Diodo semicondutor
53IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Grampeador
� Diodo semicondutor
54IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.12.
� Dadas as formas de onda de entrada encontrar as formas de onda de
saída par cada circuito.
� Formas de onda de entrada.
� a) �� � �	��� �� 
� b) forma de onda triangular: amplitude 20 V, período 4 ms.
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� Diodo semicondutor
55IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.12.
� Diodo semicondutor
56IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Circuitos com diodos
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.12.
02/02/2018
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� Diodo semicondutor
57IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Símbolos
� Curva característica
� !" - tensão zener especificada em #"$.
� #"$ - corrente de teste.
� #"% - corrente máxima
� Potência dissipada
� Potência máxima
� Resistência zener (&"$)
� Resistência especificada para #"$
� Diodo zener
� Diodo semicondutor
58IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Diodo zener
Eletrônica Analógica I
� Regulação de tensão
� Diodo zener ideal
� Considerando a resistência zener
� Variação da tensão com a variação da
corrente
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� Diodo semicondutor
59IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.13.
� A folha de dados do diodo zener 1N5240 especifica !"$ � 10	! ,
#"$ � 25	+, e &"$ � 7	Ω. Considerando-se que no circuito a tensão de
entrada varia de 15 a 30 V, calcular a corrente e a tensão no diodo
zener para o caso ideal e considerando a resistência zener.
� Diodo zener
� Diodo semicondutor
60IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Diodo zener
Eletrônica Analógica I
� Regulador zener
� Tensão de Thevenin nos terminais do zener.
� Corrente em RS.
� Tensão na carga.
� Corrente na carga.
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� Diodo semicondutor
61IFPA-Prof. Raimundo Nonato Machado
� Diodo zener
Eletrônica Analógica I
� Regulador zener
� Corrente no zener.
� Ponto de desligamento do zener.
� Perda da regulação.
� Máxima resistência em série.
� Variação da tensão na carga.
� Diodo semicondutor
62IFPA-Prof. Raimundo NonatoMachado
Eletrônica Analógica I
� Exemplo 1.14.
� Para o circuito com Vs = 25 V calcular: (a) a tensão de tevenin nos
terminais do zener, (b) a corrente da fonte, (c) a tensão na carga, (d) a
corrente na carga, (e) a corrente no zener, (f) o mínimo valor de Vs para
que a regulação seja mantida. Se &"$ � 7	Ω, qual a variação da tensão
na carga para Vs entre o valor mínimo encontrado no item (f) e o valor
de 25 V.
� Diodo zener