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Eletrônica Básica Prof. Eng. Romeu Corradi Júnior Eletrônica – Dispositivo de estado sólido Prof. Corradi Eletrônica Básica Prof. Eng. Romeu Corradi Jr. 1. Introdução Esta apostila tem o objetivo de proporcionar ao aluno um primeiro contato com os dispositivos semicondutores, como diodos e transistores. As informações aqui apresentadas serão utilizadas como introdução aos componentes semicondutores, cabendo ao aluno uma complementação em literaturas técnicas especificas. Os assuntos aqui abordados tem um caráter didático; na intenção de facilitar a compreensão de literaturas técnicas mais abrangentes, ajudando o aluno a se familiarizar com os termos técnicos e demais situações que envolve a eletrônica básica. Assim esta apostila irá ajuda-lo em seus estudos, mas você deverá reservar em casa um tempo para estudar os pontos aqui abordados e sempre complementando as informações apresentadas com livros de maior profundidade no assunto, e também resolver os exercícios propostos varias vezes de forma a garantir um bom aprendizado; lembre-se os assuntos a serem abordados requer estudo sistemático e dedicação na resolução de problemas, para que você obtenha boa compreensão dos circuitos estudados. Abaixo temos uma lista de possíveis literaturas técnicas que você poderá usar para se aprofundar mais nos assuntos, é importante que você tenha pelo menos um dos livros indicados. Malvino, Albert Paul – Eletrônica Vol. 1 Editora – MAKRON Books Boylestad – Nashelsky – Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos Editora – PHB – Prentice/Hall do Brasil Cipelli, Antonio Marco Vicari e Sandrini, Waldir João - Teoria e Desenvolvimento de Projeto de Circuitos Eletrônicos Editora – Érica Marques, Angelo Eduardo B. / Choueri Jr., Salomão / Cruz, Eduardo Cesar Alves – Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores Editora – Érica Outros livros sobre eletrônica básica poderão ser utilizados como livro texto para apoio, o importante é que você tenha pelo menos uma literatura técnica para aprofundar os seus conhecimentos. Eletrônica – Dispositivos de estado sólido 2. Diodo ideal Diodos são dispositivos eletrônicos de dois terminais com a propriedade de permitir a passagem de corrente elétrica mais facilmente num sentido que em outro. Esta propriedade torna os diodos extremamente úteis em aplicações eletrônicas, como veremos adiante. Para facilitar a compreensão dos diodos, discutiremos primeiramente o conceito de diodo ideal. 2-2. O diodo ideal O conceito de diodo ideal pode ser mais claramente entendido se, primeiro, compararmos suas características com as de um resistor linear como mostrado na fig. 1. Tanto o resistor quanto o diodo são elementos de dois terminais. A característica V-I do resistor linear indica que ele obedece à lei de Ohm, qualquer que seja a polaridade da tensão aplicada. Daí podemos concluir que ele conduz igualmente nos dois sentidos. Um resistor é então chamado um elemento de circuito bilateral. Um diodo ideal, como veremos, é um dispositivo unilateral. Isto é, ele conduz perfeitamente em um sentido mas não no outro, dependendo da polaridade da tensão aplicada. A representação esquemática de um diodo ideal está mostrada na fig. 2. Esta é também a representação de um diodo a estado sólido real, sendo portanto necessário indicar se está sendo considerado um diodo ideal ou real. Na maioria dos casos, entretanto, o diodo a estado sólido se aproxima tanto do diodo ideal que podemos considerá-los compatíveis. Prof. Corradi 2 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 3 diodo é então chamada tensão direta ( ) e a corrente correspondente é a corrente direta ( at re si 0. O conceito do ponto de quebra é muito útil na nálise de circuitos contendo vários diodos. com resistência finita e com corrente nula através dela. 3 – No ponto de quebra, V = 0, I = 0 rimeira série de exercícios: roblemas Básicos . Determine E e I no circuito abaixo. Admita como ideal o diodo. . Determine E e I na figura abaixo. Admita o diodo ideal. Relacionando a curva V-I da fig. 1 com a da fig. 2 concluímos que o diodo ideal tem a seguintes características. Se tentarmos polarizar positivamente o ânodo com relação ao cátodo, uma condição chamada polarização direta, o diodo apresenta resistência zero pis vemos que na curva V-I, V = 0 para qualquer que seja I. A corrente I é então limitada somente pelo circuito externo ao diodo. Este é chamado estado ON ou estado de polarização direta ou ainda estado de condução direta do diodo. Qualquer tensão no primeiro quadrante que tenda a tornar ON o FV FI ). Inversamente, para um diodo ideal, FV = 0, sempre que uma corrente FI é forçada a atravessá-lo como a proveniente de uma fonte de corrente. Vemos que um diodo ideal polarizado diretamente simula uma chave fechada. Se V é uma quantidade ne iva ( ânodo negativo com relação ao cátodo ), V é chamada tensão versa ( RV ) e I é correspondentemente negativa e chamada corrente reversa ( RI ). Quando polarizado reversamente o diodo ideal é tornado OFF e ele mula uma chave aberta, desde q e nenhuma corrente pode fluir no sentido inverso. Assim, RI = 0 para todos os valores de RV ou -V. O ponto no qual o diodo passa do estado ON para OFF e vice-versa é chamado ponto de quebra ou de corte. No ponto de quebra V = 0 e I = g u a Resumindo: 1 – Se a corrente ou a tensão aplicada ao diodo ideal tende a polarizar positivamente o ânodo com relação ao cátodo, o diodo torna-se polarizado diretamente ( ON ) e simula uma chave fechada com resistência zero e com queda de tensão zero. 2 – Se a tensão aplicada ao diodo ideal tende a polarizar negativamente o ânodo com relação ao cátodo, o diodo torna-se polarizado reversamente ( OFF ) e simula uma chave aberta in P P 1 2 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 4 roblemas com respostas ( admita diodos ideais ) E na fig. abaixo. ESPOSTA I = 0, E = 0 de . . Determine no circuito abaixo. . Esboce a característica Volt-Ampère vista pelos terminais do circuito mostrado na fig. abaixo. Cuide para que sejam observados os sentidos de referência apropriados. P 3. Determine I e R Oe4. Esboce a forma de onda ABE5 RESPOSTA = 12 Volts ABE 6 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 5 . Como você conectaria um diodo entre os terminais mostrados na fig. abaixo de modo que a rga ? or o diodo ideal. Na prática não existe diodo ideal, mas felizmente m aproximadas por um diodo de junção a estado sólido, na maioria 7 LRcorrente flua através da ca 8. Determine I na fig. abaixo. 3. O diodo de junção a estado sólido Estudamos no item anteri uas característica são bes dos casos. 3-1. O diodo de junção A maioria dos diodos a junção são compostos primariamente do elemento silício, e em menor extensão, de germânio. Tanto o silício quanto o germânio são chamados semicondutores devido à resistência desses elementos estar situada entre a baixa resistividade dos condutores metálicos e a alta resistividade dos isoladores. Uma característica significante da estrutura atômica desses materiais é o fato deles possuírem quatro elétrons de valência. Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 6 amando-sea isso ligações covalentes. Essas ligações covalentes levam s átomos de silício e germânio a constituírem uma estrutura geométrica ordenada dentro do ristal. Para nossos objetivos o átomo isolado de silício ou germânio pode ser representado pela forma esquemática mostrada na fig. 3. Cada linha deixando o núcleo, representa um elétron de valência. onsideraremos somente os quatros prótons necessários para balancear os quatro elétrons de alência, a fim de manter a neutralidade elétrica do átomo normal. A fig. 4 ilustra como cada átomo de silício ou germânio está ligado a cada átomo adjacente através de ligações covalentes. nsidere Você deve se lembrar que são os elétrons de valência que determinam basicamente as propriedades químicas e elétricas de um elemento. Agora, se esses elementos estiverem arranjados numa forma cristalina, os elétrons de valência nas camadas mais externas de um átomo qualquer, alinham-se com os elétrons de valência de átomos adjacentes para formar pares de elétrons, ch o c Fig.3 C v 3-2. Condução intrínseca Em uma amostra de semicondutor puro poucos elétrons estão disponíveis para a condução nas baixas e medias temperaturas, porque a maior parte dos elétrons está firmemente ligada através de ligações covalentes. A amostra de semicondutor apresentará portanto uma resistência relativamente alta. Se, entretanto a temperatura do cristal fosse aumentada, veríamos que a resistência ôhmica da amostra decresceria. Este coeficiente de temperatura negativo da resistência se deve ao fato de o aumento de temperatura implicar num acréscimo da energia cinética dos elétrons de valência. O acréscimo de energia permite que alguns dos elétrons de valência se libertem de suas ligações covalentes. Estes elétrons livres são então capazes de agir como portadores de corrente sob ação de um campo elétrico aplicado. O vão deixado pelos elétrons livres na ligação covalente é chamado buraco ou lacuna . Admite- se que os buracos ou lacunas comportam-se como portadores de corrente adicionais carregados positivamente. Embora existam algumas diferenças significantes, podemos considerar o buraco ou a lacuna como sendo equivalente a um elétron com carga positiva, para a maior parte dos propósitos. Para melhor entender o conceito de buraco ou lacuna co Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 7 ão covalente foi rompida surge um vão de elétron ou buraco. Se onsiderássemos que o elétron removido estava balanceado por uma carga igual e oposta evido aos núcleos circundantes, poderíamos admitir que este buraco tem uma carga igual e desde que a região estava eletricamente neutra antes ositivas móveis, caminham para a ontrole deve fornecer uma rande quantidade de energia para quebrar uma ligação covalente. Segundo, portadores de os e elétrons ) são gerados em iguais quantidades. Outros eios foram pesquisados para controlar a condutividade em semicondutores; descobriu-se que solidifica num cristal, os átomos de a fig. 5 que ilustra um elétron e que foi arrancado de uma ligação covalente. Este elétron está agora livre para caminhar através do cristal se um campo elétrico é aplicado. O campo poderia ser estabelecido conectando-se uma fonte de voltagem aos terminais do cristal. Agora, o elétron constitui um portador de corrente considerado isoladamente. Note que onde a ligaç c d oposta à do elétron. Isto parece razoável da remoção do elétron. Este buraco atrairá então um elétron de uma das ligações covalentes dos átomos vizinhos e esse elétron deixará também um buraco na sua posição inicial. Um terceiro elétron irá completar o buraco deixado pelo segundo elétron e assim por diante. Se um campo elétrico é aplicado, os buracos, que se comportam como cargas p extremidade positiva. O buraco é também um portador de corrente, e ao alcançar a extremidade negativa do cristal é neutralizado por um elétron vindo do fio que está ligado ao terminal negativo da fonte de voltagem. Assim, vemos que a ruptura de uma ligação covalente produz não somente um mas dois portadores de corrente. Deve ser notado que os buracos não fluem para o circuito externo mas somente no interior do semicondutor. Este tipo de condução, envolvendo a geração de pares elétron-buraco ou elétron-lacuna, é chamada condução intrínseca. Mais tarde veremos que a presença de pares elétron-lacuna é usualmente indesejável, e que desejamos somente elétrons ou somente buracos ou lacunas. Devemos também notar que temos tomado muita liberdade a fim de simplificar a física dos semicondutores envolvida. Entretanto, a apresentação é de suficiente profundidade para dar uma boa idéia intuitiva para a compreensão dos diodos e transistores. A condutividade do silício ou germânio aumentará à medida que o número de portadores de corrente crescer. Inversamente ela decrescerá à medida que o número de portadores decresce. Podemos, portanto, controlar a condutividade pela disrupção de ligações covalentes, mas isto é indesejável por duas razões. Primeiro, nossa fonte de c g corrente de ambos os tipos ( burac m a adição de certas impurezas reduziam esses efeitos indesejáveis. 3-3. Semicondutores dopados Para ver como a adição de certos átomos de impurezas afeta a condutividade de um semicondutor, considere a adição de uma pequena quantidade de arsênio a uma fornada de silício puro em fusão. A fig. 6 é a representação de um átomo de arsênio, que possui cinco elétrons de valência. Quando esse silício em fusão se arsênio estarão uniformemente dispersos através de estrutura cristalina. Como existem muitos átomos de silício comparados aos de arsênio, virtualmente cada átomo de arsênio estará circundando por átomos de silício. Isto está ilustrado na fig. 7. Mas o arsênio tem cinco elétrons de valência enquanto o silício ou germânio tem quatro. Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 8 cundantes de silício ( ou germânio ). Isto, entretanto, deixa um quinto elétron e valência do arsênio, fracamente ligado e sem lugar particular para ir. Se este elétron bandonar o átomo de arsênio original devido a agitação térmica ou outras causas quaisquer, ermanece no local um íon arsênio positivamente carregado, que está rigidamente ligado à gião estar eletricamente neutra antes da as doadoras. O processo de adição de átomos de impurezas ao semicondutor puro chamado dopagem. É também possível produzir semicondutores tipo P, os quais são ricos m lacunas, pela adição de pequenas quantidades de impureza trivalentes ( três elétrons de valência ) ao semicondutor em fusão. Impurezas trivalentes ( átomos aceitadores ) são índio, alumínio e gálio. A fig. 8 ilustra uma representação esquemática de um átomo de impureza trivalente. Assim, no cristal, quatro dos cinco elétrons de valência participarão das ligações covalentes com os átomos cir d a p estrutura cristalina. Isto deve acontecer devido à re perda do elétron. Desde que esse quinto elétron de valência do arsênio está fracamente ligado ao átomo correspondente, ele requer uma quantidade de energia bastante pequena para tornar-se livre e disponível para a condução sob ação de um campo elétrico. Muito importante é notar que esse elétron não veio do rompimento de uma ligação covalente. Isto significa que nenhum buraco foi deixado para trás. Um buraco, você deve estar lembrando, é uma falta de um elétron numa ligação covalente. Portanto, pela adição de impureza pentavalente ( cinco elétrons de valência ) superamos as duas objeções associadas à variação da condutividade obtida pelo controle de produção de pares elétrons-lacunas. Outras impurezas pentavalentes, tais como fósforo ou antimônio, podem também ser usadas para formar peças de silício ou germânio com abundância de elétrons fracamente ligados.Esses semicondutores enriquecidos de elétrons são conhecidos como tipo N, e as impurezas pentavalentes são chamadas átomos doadores ou impurez é e A fig. 9 ilustra o efeito de uma impureza trivalente dentro da estrutura cristalina. Note que agora temos uma ligação covalente incompleta na qual falta um elétron. Isto está de acordo com nossa definição anterior de buraco ou lacuna. Neste caso o buraco é o único portador de corrente, pois não há presença de elétrons fracamente ligados. Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 9 dição controlada de impurezas ( dopagem ) causa a predominância de m ou outro tipo. Mais energia é necessária para romper uma ligação covalente no silício que o germânio. Isto significa que, numa dada temperatura, O Si puro tem menos portadores de orrente disponíveis que o Ge. Embora a resistividade do Si puro seja mais elevada, o que tagem em alguns casos, o efeito total da temperatura sobre os r que sobre o Ge. Por esta razão os transistores de Si são ando-os. Os portadores minoritários não se acabam, tão sempre sendo recriados pela energia térmica. Nem os portadores otam, pois a geração térmica de um portador minoritário é sempre s várias técnicas de fabricação de diodos e transistores têm pelo menos um objetivo comum, este é produzir um cristal no qual exista uma ou mais junções PN. As propriedades da junção N tornam possíveis a retificação e a ação do transistor. Se um cristal de semicondutor é reparado de modo que exista uma fatia de material tipo P adjacente a uma fatia tipo N, a terface entre os dois é conhecida como junção PN. Esta situação está ilustrada na fig. 10. Aqui encontramos uma abundância de cargas livres positivas e o material é então chamado silício ou germânio tipo P. Note que, nesta figura, o átomo de impureza torna-se um íon negativo tão logo um elétron de uma das ligações covalentes alcance o buraco. Esse buraco original é então neutralizado mas um outro buraco aparece, exatamente no lugar de onde o elétron neutralizante veio. Se pequenas, mas iguais, quantidades de impurezas tipos P e N fossem misturadas ao semicondutor em fusão, teríamos um cristal de comportamento muito próximo ao do semicondutor puro. A razão disto é que os elétrons da impureza tipo N preenchem os buracos da impureza tipo P. Na realidade nenhum espécime prático é somente tipo P ou tipo N, mas a a u n c pode representar desvan transistores de Si será meno usualmente preferidos. Elétrons numa região N ou buracos numa região P são, por razões óbvias, chamados portadores majoritários, enquanto que elétrons na região P ou buracos na região N são chamados portadores minoritários. Devido à ruptura das ligações covalentes nenhum material semicondutor é puramente N ou P. Ao invés disso, contém ambos os portadores: majoritários e minoritários. Os portadores majoritários estão continuamente se recombinando com os portadores minoritários, neutraliz entretanto, pois es majoritários se esg acompanhada pela geração simultânea de um portador majoritário. Infelizmente a geração térmica dos portadores minoritários varia com a temperatura de uma forma exponencial. Isto torna os materiais semicondutores altamente sensíveis à temperatura, com o efeito sendo mais severo no germânio que no silício. 3-4. A junção PN A e P p in Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 10 ize esta figura pois será útil mais tarde. ara entender as propriedades da junção PN considere a fig. 11. Para fins de ilustração, admita que, no instante zero, nós, de alguma forma, formemos um cristal no qual há uma interface entre uma região N. Esta interface é uma junção PN. Os círculos com sinais ( - ) na regiã negativos da impureza. Estes íons são negativamente carre m elétrons para preencher os buracos introduzidos pelos átomo sinais ( + ) representam os buracos livres caminhando atravé os círculos com sinais ( + ) na região N representam os íons fixos p oadoras que perderam seus elétrons fracamente ligados. Tanto a re uniformemente. Em termos técnicos dizemos que existe um gradiente de oncentração de buracos da região P para N. Analogamente existe um gradiente de oncentração de elétrons da região N para P e resulta na difusão de elétrons através da nção. À primeira vista, pareceria que elétrons e buracos manteriam a difusão através da nção e recombinariam uns com os outros até que nenhum portador permanecesse ou até que ma ou outra espécie de carga permanecesse. Não é, entretanto, este o caso. Para cada uraco que cruza a junção de P para N, fica um íon fixo negativo não neutralizado de cada lado a junção são chamados cargas espaciais, e o campo elétrico entre eles pode ser convenientemente representado por uma bateria colocada através da junção como mostrada na fig. 12. Se dois terminais forem ligados a esta estrutura temos um diodo a junção que está ilustrado esquematicamente sobre o cristal. Note que o ânodo ( base da flecha ) corresponde ao material P enquanto o cátodo corresponde ao material N. Memor P tipo P e uma região tipo o P representam os íons fixos gados porque eles capturara s aceitadores ( tipo P ). Os s da região P. Analogamente, ositivos das impurezas d gião P quanto a região N são eletricamente neutras, pois existem tantos buracos livres quantos íons negativos na região P e tantos elétrons livres quantos íons positivos na região N. Admita que a junção PN já foi formada, que a temperatura seja constante, e que nenhuma voltagem foi aplicada ao cristal. O lado P está carregado com buracos livres e íons fixos negativos, enquanto que no lado N existem elétrons livres e íons fixos positivos abundantes. Como a concentração de buracos no lado P é muito maior que no lado N, os buracos difundirão na região N. O mecanismo da difusão é semelhante à distribuição de moléculas de tinta num copo de água, após uma gota de tinta Ter sido introduzida. As moléculas de tinta tentam distribuir-se c c ju ju u b d Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 11 ristal é preparado. A largura da região de é um quadro melhorado das condições da O ortador minoritário e terá m tempo médio ( chamado tempo de vida ) antes de recombinar com um dos numerosos uracos disponíveis. O tempo de vida de um portador minoritário depende, claramente, do número de portadores majoritários circundantes, os quais, por vez, são determinados pelo número de átomos de impurezas introduzido no cristal. Se este elétron na região P tem vida suficientemente longa para caminhar até as vizinhanças da junção, ele ficará sob influencia do campo elétrico lá existente. O sentido do campo é tal que o elétron será forçado a cruzar a região de depleção ( região contendo as cargas descobertas ) pois ele é atraído pelos íons descobertos no lado N. Outra forma de visualizar, isto é, de imaginar a bateria de barreira na fig. 12, forçando elétrons do lado P para o lado N. Esta barreira de potencial interna tende a restringir a difusão de buracos do lado P para o lado N e os elétrons do lado N para o lado P. A barreira de potencial interna força também os portadores minoritários, isto é elétrons do lado P e buracos do lado N, a cruzar a junção. A região adjacente e de cada lado da junção é, portanto, relativamente livre de buracos e elétrons. Esta região essencialmente livre de cargas é chamada região de depleção. A largura da região de depleção depende da maneira pela qual o c depleção do lado P não é, necessariamente, a mesma que do lado N. O lado feito de material de resistividade mais elevada ( menos átomos de impureza ) terá uma região de depleção mais larga. Os buracos que cruzam da região P para a região N recombinam comos elétrons no lado N. Analogamente, elétrons da região N recombinam com buracos do lado P. Este fluxo de elétrons de N para P e de buracos de P para N constitui uma corrente de recombinação através da junção. Esta corrente de recombinação não permanece, no entanto, em um valor constante. Ela cai a valores extremamente baixos devido ao processo de recombinação manter cargas descobertas nas proximidades de junção. Os íons negativos descobertos no lado P começam a repelir os elétrons do lado N enquanto a parede de íons descobertos positivos no lado N repele os buracos do lado P. A bateria na fig. 12 representa, portanto, a barreira de potencial formada pelas cargas descobertas, as quais inibem a corrente de recombinação. Assim, parece que uma condição de equilíbrio é estabelecida entre o potencial de difusão do gradiente de concentração e a barreira de cargas descobertas. Se a agitação térmica fornecesse às cargas móveis a mesma energia cinética, esta simples explicação para as condições de equilíbrio seria suficiente. No entanto, a energia térmica fornecida aos portadores móveis de carga está distribuída aleatoriamente. Estatisticamente falando, alguns buracos e elétrons possuem uma pequena quantidade de energia cinética enquanto outros possuem uma grande quantidade. Alguns dos portadores de alta energia serão capazes de vez por outra, vencer a barreira de potencial. Se esta fosse a única ação, pareceria que a altura da barreira de potencial continuaria crescendo, num esforço de compensar os portadores de alta energia que conseguiriam vencê-la. Finalmente, poderíamos esperar que o último dos portadores de carga a cruzar a barreira deixaria uma barreira de potencial bastante alta. Embora incompleto, este junção. Algo que desprezamos é que nenhum material é perfeitamente P ou N. O material P terá alguns elétrons livres, surgidos pela ruptura de ligações covalentes por agitação térmica. buraco que é produzido não é diferente de qualquer outro buraco do lado P, onde os buracos são os portadores majoritários. O elétron no material P constitui um p u b Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 12 or razões análogas vemos que um buraco gerado termicamente no material N constitui um ortador minoritário que será forçado a cruzar a região de depleção do lado N para o lado P. m b N e elétrons que atravessam a barreira no se posto. Como um buraco indo da esquerda para a direita é equivalente a um elétron indo da direita para a esquerda, as duas componentes da corrente de recombinação são aditivas, e podemos escrever: P p O fluxo de portadores minoritários através da junção é ajudado pela barreira de potencial. Temos agora um quadro completo co o mostrado na fig. 13, abaixo. Sem voltagem externa aplicada, as condições reais de equilíbrio são, como segue. Existe uma corrente global de recom inação rI através da junção a qual consiste de buracos ltrapassando a barreira do lado P pa rpI ntido ra rnIu o rnrpr III += Ao mesmo tempo a uptura de ligações covalentes causa a formação de uma corrente global gerada termicamente gI evido aos portadores minoritários que são forçados a cruzar a barreira. Esta corrente gerada termicamente terá também duas componentes, uma componente de buracos gpI , que flui da região N para P, e uma componente de elétrons gnI , que flui da região P para N. Portanto: r d gngpg III += A corrente gerada termicamente depende somente da temperatura e é, muita vezes chamada rrente de saturação. Sob as condições de equilíbrio os portadores que cruzam a junção devido a compensam aqueles devido a a qual tem componentes fluindo nos sentidos op tos ao de . O resultado final é que corrente total na junção é zero, o que eve ser verdade pois se curto-circuitarmos a junção PN com um pedaço de fio, nenhuma orrente circula pelo fio. A altura da barreira terá um potencial de valor tal que permita a orrente de recombinação igualar-se exatamente à corrente gerada termicamente. A gI , co os sI gI s rI , a gI d c c representação esquemática de um diodo a junção está novamente mostrado na fig. 14. Como mostrado, o ânodo consiste de um material P e o cátodo consiste de um material N. Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 13 que V corrente ( fluxo de ue, embora elétrons senta o sentido de diodo como mostrado na fig. 15, diz-se que o diodo ndo polarizado diretamente, V é uma quantidade mantido num potencial positivo em relação ao co através da junção o qual opõe à barreira de nação ( majoritária ) aumenta. Intuitivamente a empurrar os buracos do lado P para o lado N e enta grandemente a corrente através da junção. e fato, é necessário ou manter V bastante pequeno ou inserir um resistor limitador de corrente m série com a fonte de voltagem para manter a corrente no diodo num valor razoável. a corrente no diodo e a voltagem aplicada externamente é : A fig. 14 também indica alguns sentidos de referência para voltagem e corrente. Note representa a voltagem no ânodo em relação ao cátodo, e I representa a létrons ) entrando pelo cátodo e saindo pelo ânodo. Deve ser entendido q e buracos fluam no interior do semicondutor, a corrente externa I repre referência admitido como positivo do fluxo de corrente. e 3-5. Polarização direta Se uma fonte de voltagem é aplicada ao está polarizado diretamente. Note que qua positiva, o que significa que o material P é material N. A voltagem externa V forma um campo elétri potencial, portanto, reduz seu efeito. Consequentemente, a corrente de recombi podemos ver que a voltagem V tenderá s do lado N para o lado P, o que aumelétron D e Entretanto a corrente gerada termicamente é virtualmente não afetada pois esta corrente depende, pelo menos em teoria, somente da temperatura e não da voltagem aplicada. Uma relação teórica entre Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 14 1) - ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −∈= 1. TV V SII η Nesta equação SI é a corrente de fuga gerada termicamente, às vezes chamada corrente de satura ser um positiva ou n ção. A voltagem V representa a voltagem do material P em relação ao material N e pode a quan egativa, dependendo da polaridade da voltagem aplicada. Se é uma quant e positiva, ele é normalmente chamada voltagem direta, . Se V é uma é normalmente chamada voltagem rsa, . orresponde corrente I, no sentido referência mostrado, pode ser uma quantida ositiva ou n endendo da polaridade da voltagem aplicada. Se aco rente é V é uma quan negativa ou uma voltagem rsa. A quantidade dimens Volts e é dada ) - tidade idad ntemente, a egativa, dep tidade FV reve r tem V RV de uma ão de quantidade negativa, ela C p quantidade positiva, ela é normalmente chamada corrente direta FI , correspondendo à condição de aplicação de uma voltagem direta FV . De outro lado se I é uma quantidade negativa ela é chamada normalmente corrente reversa RI , correspondendo à condição na qual por: reve TV voltsTV = stá relacionada com a temperatura em graus Celsius por: ) - 2 T 11000 T é a temperatura em graus Kelvin e e 3 273+= CelsiusKelvin TT ) - η4 = número entre 1 e 2 uantidade η é uma constante relativa geralmente tomada como 1 para o germânio. Para ilício, η pode variar de aproximadamente 2 nas baixas correntes, digamos menos de 0,2 mA, roximadamente 1 para correntes diretas maiores que 0,2 mA. Na temperatura ambiente, ntão que a equação 1) – com η admitido = 1 e para V ≥ 100 mV, A q s até ap 27ºC, = 26 mV. Vemos eTV ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛∈S≈ TV V I . Por razão análoga, SII −≅I se V éuma quantidade negativa ( polarização ) - reversa ) além de 100 mV. A inclinação da característica corrente-direta versus coltagem-direta representa a condutância ( ac ) do diodo quando ele está diretamente polarizado. O valor teórico desta condutância fg pode ser determinada por: T f V Ig .η≈ 5 O reciproco da condutância direta é a resistência direta. Portanto a resistência dinâmica direta é : Eletrônica – Dispositivos de estado sólido 6) - I Vr Tf .η= A corrente I é a corrente estática ( dc ) através do diodo. A equação 6) - indi valor admitido de η = 1, um diodo polarizado diretamente apresentará uma re de 26 Ohms para uma corrente direta de 1 mA e 2,6 Ohms par I = 10 resistência dinâmica direta será sempre algo mais elevado que o valor teórico da resistência dos terminais e do volume do material que aparecem em série ca que, para um sistência dinâmica mA. O valor real da devido ao efeito com . A fig. 16 ilustra uma característica direta de um diodo de silício de baixa potência. corrente direta está plotada para três valores diferentes de temperatura. Evidentemente, à edida que a temperatura aumenta, a voltagem direta decresce. Especificamente, se a constante, a voltagem direta cairá tipicamente a uma razão de 2 3 mV para cada ºC de aumento da temperatura. Matematicamente isto é expresso por: fr A m corrente do diodo for mantida a 7) - CmV dT dVT /º5,2−≈ Note que este coeficiente de temperatura é negativo, o que implica num decréscimo da voltagem direta com um aumento da temperatura. Na prática este coeficiente de temperatura tende a se tornar menos negativo à medida que a corrente direta aumenta e para níveis e corrente elevados pode atingir valores levemente positivos. Prof. Corradi 15 d Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 16 -6. Polarização reversa dade negativa, de modo que o material P é rial N, o diodo é dito estar reversamente polarizado. mpo elétrico estabelecido por V é de polaridade tal que nsequentemente, a corrente de recombinação, que elétrons indo de N para P, é drasticamente reduzida. A egativa devido ao fluxo de portadores gerados ente, o diodo não exibiria corrente reversa alguma e rada termicamente é comumente referida como fuga consiste realmente de duas componentes , pende da magnitude da polarização reversa componente devido aos efeitos de perdas na o termina, nas extremidades do cristal. A componente de corrente de fuga devido aos efeitos de superfície é sensível à voltagem, de modo que a corrente de fuga aumenta na prática com o aumento da polarização reversa. Isto está ilustrado na fig. 18. Note que mostrada em linha tracejada é um valor pequeno e constante que variaria com a temperatura, mas não com a polarização reversa. 3 Se, como mostrado na fig. 17, V é uma quanti mantido negativo com relação ao mate Quando reversamente polarizado, o ca se soma à barreira de potencial interna. Co consiste de buracos indo de P para N e corrente externa I é uma quantidade n termicamente através da junção. Idealm assim esta pequena corrente reversa ge corrente de fuga. Na prática, a corrente de a componente gerada termicamente, que inde ( depende somente da temperatura ), e uma superfície, que se manifestam onde a junçã ; SI SI Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 17 corrente reversa real, devido aos efeitos de perdas na superfície, exibe uma componente tência através da junção, desde que um aumento na polarização reversa causa m aumento na corrente reversa. Como regra pode-se admitir que a componente gerada . versamente polarizada, a maior parte da tensão reversa de cargas livres tras palavras, a queda de tensão à voltagem total aplicada. A região ndo tipicamente da ordem de 0,0001 in ( polegadas ), ou pequena voltagem reversa, digamos 6 Volts, desenvolveria um campo elétrico de alta intensidade de campo pode causar a ruptura dância cai consideravelmente devido à geração por uma ionização e/ou fenômeno de emissão gião de ruptura são comumente enominados diodos zener ou de avalancha. Outro termo às vezes usado para estes diodos é or. Este termo provém do fato de, na ruptura ( note fig. 17 ), a voltagem reversa er mantida neste exemplo, num valor substancialmente constante de 20 Volts. Se a dissipação e potência do diodo é limitada em um valor seguro, então a operação na região de ruptura e 3 Volts até varias centenas de Volts é estudas mais adiante em um aumento da temperatura. A ôhmica de resis u termicamente, aproximadamente dobra a cada aumento de 10ºC na temperatura Quando uma junção PN está re aplicada externamente aparece sobre a região de depleção, pois é a região que apresenta a mais alta resistência do circuito. Em ou através da região de depleção será, em geral, quase igual de depleção é bastante estreita, se menor. Então uma intensidade 60.000 Volts/in. Esta da junção. Quando de muitos portadores adicionais de corrente a junção rompe, sua impe secundária. ( ver mais detalhes no anexo 1 ). Diodos convenientemente projetados para serem usados na re d diodo regulad s d não é destrutiva. A voltagem de ruptura, que pode ser d determinada pelo processo de fabricação. Estes diodos serão item exclusivo a ele. A voltagem reversa de ruptura V ( BD = Breakdown )é algo dependente BD da temperatura. Para diodos cuja ruptura é cerca de 5Volts ou menos BDV apresenta um coeficiente de temperatura negativo. Isto é, BDV decresce com o aumento da temperatura. De outro lado, diodos que exibem um BDV de cerca de 6 Volts ou mais, tendem a apresentar um ficiente positivo de temperatura. Isto é, BDV aumenta com o coe Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 18 a faixa entre 5 e 6 Volts, é possível encontrar diodos que apresentam um coeficiente de mperatura quase nulo, o que os torna altamente vantajosos como fontes de referência de cifico do diodos zener num próximo item. o tem utilidade na eletrônica? . O que é buraco e/ou lacuna? . Que influência o semicondutor sofre com a intensidade de dopagem? a) Polarização direta; b) Polarização reversa. O que é corrente direta e tensão reversa? 9. Como devemos testar um diodo a junção utilizando um Ohmimetro? 10. Como sabemos que um diodo está em curto e/ou aberto? Responda: 1. Quais são os portadores majoritários na região N? 2. Como é controlada a corrente de recombinação num diodo? 3. O que acontece com a largura da região de depleção quando a voltagem reversa é variada? 4. Como está a resistência direta de um diodo, relacionada com a corrente direta? Assuma T = 27ºC. 5. A uma corrente direta de 12 mA e a 25ºC, a queda de voltagem estática (dc) através de um diodo é 0,31 V. Se a corrente direta fosse mantida constante, mas a temperatura aumentasse para 50ºC, qual seria a nova voltagem direta? 6. Determine E na fig. abaixo. . Determine o coeficiente médio de temperatura para uma faixa de –50ºC a 100ºC para um diodo polarizado, tendo as característica mostradas na fig. abaixo. Assuma que a corrente direta é mantida constante em 20 mA. N te voltagem, veremos estas aplicações no estudo espe Segunda série de exercícios Questionário . Porque o semicondutor na sua forma pura nã1 2 3 4. Qual a influência da temperatura nos semicondutores? 5. Que características apresenta um diodo a junção? 6. O que é barreira de potencial? . Defina: 7 8. 7 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido 8. Determine o ponto Q para um diodo tendo as característica diretas da fig. abaixo,quando é usado no circuito dado abaixo. Prof. Corradi 19 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 20 . Como você mediria a componente da corrente reversa de um diodo, gerada termicamente? rcuitos mo ação alquer arão pode orna V-I de gem e K ) ravés 19 strada s tem aracterística aproximada à do diodo real da fig. 19. ara checar a validade deste modelo discreto devemos notar que para V grande e negativo ( uponha uma fonte de voltagem conectada entre os terminais de entrada ) D1 está, eguramente reversamente polarizado (OFF) e D2 está diretamente polarizado (ON). Como estes diodos são ideais, eles simulam, respectivamente, chaves aberta e fechada. 9 10. Se o diodo no circuito da fig. abaixo tem a característica mostrada na mesma figura, determine I e V a 25ºC. 4. Circuitos equivalentes do diodo Como os diodos e dispositivos derivados do diodo são comumente encontrados em ci eletrônicos, torna-se bastante útil desenvolver um circuito equivalente ao diodo prático. Co veremos, o diodo prático pode ser representado em termos do diodo ideal. 4-1. Modelos discretos de diodos Uma forma de desenvolver um circuito equivalente para o diodo é usar a técnica de model por partes ou modelações discretas. Essencialmente ela consiste na partição de qu trecho não linear da curva característica, em um número de segmentos retos, que aproxim a curva para qualquer grau desejado. Um circuito equivalente, baseado nos diodos ideais, então ser desenvolvido. Quanto maior o número de segmentos retos, mais complicado se t o circuito equivalente. Para ilustrar o desenvolvimento de um modelo discreto de um diodo, considere a curva um diodo mostrado na fig. 19 a qual está baseada nos sentidos de referência para volta corrente mostrado na fig. 20. A voltagem V é referida como a voltagem do cátodo ( terminal para o ânodo ( terminal A ) e a corrente I tem o sentido positivo de ânodo para cátodo, at do diodo. Para diodos de silício ( que são os mais comumente usados ) a curva V-I da fig. ode ser aproximada pelos segmentos de reta ( trechos lineares ) da fig. 21. m circuito equivalente ( modelo discreto ) que levaria a esta característica V-I está mo a fig. 22. Os diodos na fig. 22 são diodos ideais e este modelo a dois diodos ideai p U n c P s s Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 21 a quantidade negativa. A ntal vista quando se ramente esta é . Portanto, para V < o ponto de operação está na região 1 e I é um inclinação do segm na região 1 é determinada pela resistência increme olha pelos terminai odelo na fig. 22, com D1 OFF e D2 ON. Cla Portanto, na região 1 a inclinação é BDV ento s do m Zr ZrVI /1/ =ΔΔ . Façamos . Neste ponto a característica V-I da fig. 21 mostra uma descontinuidade abrupta chamada ponto de quebra e, neste ponto de quebra, D2 passa de ON para OFF e I cessa de fluir. O ponto de operação entra agora na região 2. Com ambos os diodos OFF a impedância vista, quando se olha pelos terminais de entrada do modelo, é infinita. A condutância é, portanto, zero e a inclinação da característica V-I na região 2 é zero, desde que nenhuma variação de corrente pode ocorrer devido a uma variação de voltagem. Quando a voltagem V aplicada tornar-se positiva a V’, o diodo D1 torna-se ON e o ponto de operação entra na região 3. BDVV −= Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 22 A corrente é agora uma quantidade positiva dada por ( )VVI ' Fr/−= e a impedância de te que como usado entrada na região 3 é Fr . A inclinação da curva V-I é portanto 1/ Fr . No no modelo não é o mesmo que ImVIVr TF /26/ Fr == ( a 27ºC ). Na a é algum valor médio, para o qual se aproxima a curva do dio voltagem, enquanto Fr , derivada da equação do diodo, é a resistênci operação particular. As quantidades com índices maiúsculos serã o modelo discreto. Embora o modelo de diodo a semicondutor da fig. 22 seja geralmente ad dos casos e problemas, existem situações em que a curva V-I de um aproximação principalmente na característica reversa; porem este complexos e fogem do escopo desta apostila. ( em livros para o tercei encontrar tais modelos ). Exemplo – Desenvolver um modelo discreto para a característica do diod pro do para uma a dinâmi ximação lin ca n ear, larga faixa de um ponto o geralmente associadas com equado para a maioria diodo requer melhor s modelos são mais ro grau o aluno poderá o da fig. abaixo. lução: A fig. abaixo ilustra o modelo discreto. Ele conterá no mínimo dois diodos ideais já que existem e 400 V, o ponto OFF. Portanto, Fr de So dois pontos de quebra na característica V-I. Para V menor ( mais negativa ) qu de operação está na região zener e D1 está ON. O diodo D2 está VVBD 400−= e Zr , como determinado pela inclinação da curva é =Δ= 41Vr Z − Ω=Δ − 10010100 4000 3xI Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 23 0 V < V < 0,8 V ) D1 e D2 estão OFF inita. Para V mais positiva que 0,8 Volts, o nós obtemos: ssim nosso circuito equivalente fica: e junção PN s circuitos eletrônicos de forma geral necessitam de uma alimentação dc para poder trabalhar orretamente. Como a tensão que recebemos em nossas residências e industrias é alternada, a primeira coisa a ser feita em qualquer equipamento eletrônico é converter a tensão ac em tensão dc. Neste item iremos discutir a retificação, trata-se de circuitos que realizam a conversão de uma tensão ac para uma tensão dc. Veremos também filtros com capacitores de entrada. 5-1. Tensão de corrente alternada ( onda senoidal ) A onda senoidal é o mais básico dos sinais elétricos; ela é usada muitas vezes para testar circuitos eletrônicos. Além disso, sinais complicados podem ser reduzidos a uma superposição de varias ondas senoidais. Neste item iremos verificar rapidamente as características básicas de uma onda senoidal, de forma que possamos compreender melhor o funcionamento dos circuitos retificadores ( conversores estáticos ). Em outra disciplina você terá maiores detalhes da tensão de corrente alternada. -2 Corrente Alternada ( valores e formas de representação ) ra abaixo: Para V maior que 400 Volts mas, menor que 0,8 Volts ( -40 de modo que a resistência reversa nesta região é inf D2 torna-se ON. Da inclinação da curva nesta regiã Ω=−=Δ Δ= − 410200 8,06,1 3xI VrZ A 5. Aplicação dos diodos d O c 5 Observe a figu Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 24 qüência Período ( T Logo: reqüência ( f ) = número de voltas completados em um segundo, podemos afirmar então: Observação: O segmento OA é denominado de vetor girante ( fasor ), ω é a velocidade ou fre angular, φ é o angulo por unidade de tempo; assim temos: Onde: φ em r adianos ( rad. ) e t = tempo em segundos ( s ) ) = tempo que o vetor OA ( fasor ) leva para completar um volta. F t φ t.ϖφϖ =⇒= T πϖϖπϖφ πφ .2ou .t 2. .t T t , rad. .2 ==⇒= == T f f T ff ..2 1 .2 : então 1 Assim 1 1 πϖπϖ =⇒= =→ → Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Da trigonometria podemos tirar : Prof. Corradi 25 portanto podemos expressar a ela equação: onde ϕ é um angulo de fase inicial. Observe a expressão abaixo ntão você é capaz de dizer que sinal é este, onde podemos encontra-lo? b = trata-se de um valor em um determinado instante de tempo, onda senoidal em forma deuma função dada p E φφ sen.)( )( t t vb v b =⇒=sen ( )ϕϖ += tVv t .sen.max ( )[ ]Vtvt .377sen.61,179= Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 26 -3. Representação Fasorial 5 ( )º30sen10 += tvt ϖ Observe: Da trigonometria pode mos escrever: epresentações: orma trigonométrica: orma polar: etangular: º30cosmax=x VV R F 0max0max . sencos ϕϕ jVVV += . F ϕ∠= VV 0max Forma algébrica ou r yx jVVV ±= . Assim podemos escrever a equação ( )º30sen10 += tvt ϖ , de duas formas, observe: etangular : 8,66 + j 5 [V] -4. Outros valores importantes Valor de pico a pico 66,8 º30senmax = = y y VV 5= x V V Polar : 10∠ 30º [V] ; R 5 O valor de pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre o seu máximo e o mínimo algébrico: Eletrônica – Dispositivos de estado sólido .minmax VVVpp −= s palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor, como se houvesse uma tensão dc através dele. valor rms ( raiz media quadrática, do inglês root mean square ) de uma onda senoidal, Assim para uma senoide, o valor de pico a pico é 2Vp. Em outras palavras, o valor de pico a pico de uma onda senoidal é o dobro do valor de pico. Dada uma senóide com um valor de pico de 15 V, o valor de pico a pico será de 36 V. Valor eficaz ( RMS ) Se uma tensão senoidal aparecer através de um resistor, ela produzirá uma corrente senoidal em fase através do resistor. O produto da tensão instantânea pela corrente dá a potência stantânea, cuja média durante um ciclo resulta numa dissipação média de potência. in Em outra O também chamado valor eficaz ou valor de aquecimento, é definido como a tensão dc que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Os cursos básicos mostram que prms VV 707,0= Podemos provar estas relação experimentalmente construindo dois circuitos: um com uma nte dc seguida de um resistor e um outro com uma fonte senoidal ligada a um resistor de Se a fonte dc for ajustada para produzir a mesma quantidade de calor que a nda senoidal, mediremos uma tensão dc igual a 0,707 vezes o valor de pico da onda senoidal. fo mesmo valor. o ( uma outra forma de se provar que prms VV 707,0= é através de matemática avançada ). Valor médio O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. Isto porque a onda senoidal é simétrica: cada valor positivo da primeira metade do ciclo é compensado por um valor igual negativo da Segunda metade do ciclo. Portanto, se você somar todos os valores da onda seno ntre 0º e 360º, terá zero como resultado, o que implica um valor médio zero. e Em outras palavras, u or que? Porque o po m voltímetro dc indicará zero se usado para medir uma onda senoidal. nteiro de um voltímetro dc tenta flutuar positiva e negativamente com amentos eletrônicos residenciais ou industriais vem da linha de s companhias concessionárias e estas linhas são perigosas devido a dor de tensão Alguns equipamentos eletrônicos ( a cluem um transformador como o da fig., abaixo para abaixar ou elevar a te rme exigir a aplicação. As tensão de m transformador estão relacionados da seguinte forma: P amplitudes iguais, porém a inércia das partes móveis o impede de fazê-lo, então ele indica um valor médio igual a zero. ( isto supõe uma freqüência maior do que aproximadamente 10 Hz, de modo que o ponteiro não possa acompanhar variações rápidas. ) 5. O transformador A alimentação dos equip nergia fornecidas pelae sua resistência Thevenin aproximar-se de zero. Isto que dizer que ela pode fornecer centenas de ampères. Mesmo com um disjuntor no circuito, ela ainda pode liberar dezenas de ampères, dependendo das dimensões do circuito disjuntor. Abaixa grande maioria ), in nsão da linha, confo u S PS P S I I V V N N == P Prof. Corradi 27 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 28 nde: Esta tensão mais baixa é um pouco ma ra se trabalhar do que os 127 V rms, e é um alor típico exigido por alguns circuito utores. Além disso, o transformador isola a arga ( todos os circuitos que você está medindo ) da rede. Isto quer dizer que a única ligação om a rede de alimentação é através do campo magnético que põe em comunicação os nrolamentos do primário e do secundário. Isto reduz ainda mais os perigos de um choque ara um transformador ideal, temos as seguintes relações: O primário do corrente I ;secundário do corrente I primário; do tensãoV ;secundário do tensãoV primário; do espiras de nùmero N secundário do espiras de número N P S P S P S = = = = = = ; Um exemplo: Suponha que para o circuito acima a relação de espiras seja de 9:1, então rmsV 11,14==⇒= SS V 9 127 9 1V 127 is segura pa s de semicondv c c e elétrico porque não existe mais um contato elétrico direto com os dois lados da rede. usível F P S P P S I I N N = Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Você pode usar esta equação para calcular os valores do fusível. Por exemplo, se a corrente de carga for de 1,5 A rms e a razão de espiras de 9:1, então Prof. Corradi 29 to que dizer que o fusível deve Ter um valor maior que 0,166 A, mais 10% no caso da tensão e linha ser alta, mais aproximadamente outros 10 % para perdas no transformador ( essas alor de fusível padrão imediatamente uperior, 0,25 A ( de fusão lenta no caso de oscilações da rede ), provavelmente seria el é de evitar dano excessivo no caso da resistência da carga er posta em curto acidentalmente. ios circuitos eletrônicos necessitam de uma alimentação dc e stes equipamentos são ligados as linhas de alimentação. Como os sinais transmitidos por stas linhas são ac é necessário convertermos este tipo de tensão em uma tensão dc. ortanto, o processo de conversão de um sinal ac em uma tensão dc é conhecido como o circuitos eletrônicos que fazem esta conversão, os a; ) Retificador de onda completa com transformador com derivação central; ) Retificador de onda completa em ponte. eremos agora cada um deles analisando o seu funcionamento, características elétricas, étodos de projeto e topologia. -2. Retificador de Meia Onda Observe o circuito abaixo: Is d perdas produzem corrente adicional no primário ). O v s satisfatório. A finalidade do fusív s Obs.: Você irá ter mais informações sobre transformadores em outra disciplina; para compreendermos o funcionamento básico dos retificadores a informação aqui oferecida é suficiente. 6. Aplicação dos diodos em circuitos retificadores 6-1. Retificadores estáticos No item 5 comentamos que vár e e P retificação. Os retificadores são entã retificadores básicos são: A) Retificador de meia ond B C V m 6 rmsA 166,095,19 ==⇒= PP I 5,11 I Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 30 uma tensão dc ulsante. Podemos concluir que a tensão na carga é sempre positiva ou zero. enominado de tensão dc pois é o valor medido por um voltímetro e é dado por: ou Devemos observar que o circuito acima converteu a tensão ac de entrada em p Tensão média na carga D Pdc VV .318,0= π P dc VV = . Como é obtido este valor? olução matemática: S ( ) ( ) ( )( ) π πππ ϕϕπ π π π P médio PPP médio T T Pmédio VV VVVV dVvdt T V = =−−−== == −−∫ ∫ 2. 2 11 22 sen 2 11 ]0coscos[ 0 0 2 1 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 31 specificações de corrente e tensão para o diodo: Onde: é a corrente direta do diodo e é a tensão versa máxima repetitiva que o diodo pode suportar. xercício de aplicação: tência de carga? A tensão média? A corrente média através da resistência de carga? pecificações de alguns diodos em termos de corrente direta: ; A; ) 1N 4002 - = 1 A; e a tensão do secundário for de 120 Vac no circuito anterior, qual o tipo de diodo dado acima specificações de alguns diodos em termos de tensão reversa: ) 1N 4002 - = 100 V; ada uma tensão do secundário de 60 Vac no circuito do exercício 1, qual a Vrrm através do iodo? Qual dos diodos anteriores pode ser usado? mpleta com transformador com tomada central bserve o circuito abaixo: E )( max picoVV II SRRM RF L ≥ ≥ FI RRMV re E 1- O transformador da fig. abaixo tem uma tensão do secundário de 30 Vac. Qual a tensão de pico através da resis 2- Abaixo temos as es a) 1N 914 - = 50 mA b) 1N 3070 - = 100 m c d) 1N 1183 - = 35 A. S que pode ser usado? 3- Abaixo temos as e a) 1N 914 - = 20 V; b) 1N 3070 - = 50 V; c d) 1N 1183 - = 175 V. D d 6-3. Retificador de onda co O Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Onde: (a) – Retificador de onda completa; (b) – Saída retificada; (c) – Semiciclo positivo; (d) – Semiciclo negativo; (e) – Tensão de pico inversa e/ou tensão reversa repetitiva máxima. Tensão média de saída Podemos observar um efeito de duas vezes a saída do retificador de meia onda portanto, podemos verificar que este retificador é mais eficiente do que o primeiro, ou seja: π PV.2 PPdc VVxV ou 636,0318,02 ⇒= Freqüência O período T de uma onda repetitiva é o tempo entre pontos equivalentes ou correspondentes da onda. A freqüência f é o inverso do período T. Num retificador de meia onda, o período da saída é igual ao período da entrada, o que quer dizer que a freqüência da saída é a mesma que a freqüência da entrada. Em outras palavras, para cada ciclo na saída você tem um ciclo na entrada. Por esta razão, a freqüência que sai de um retificador de meia onda é de 60 Hz, o mesmo valor da freqüência da rede. Um retificador de onda completa já é diferente. Observe atentamente a figura anterior item (b), veja que o período é a metade do período da entrada. Colocando de outra forma, ocorrem dois Prof. Corradi 32 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido semiciclos na saída para cada ciclo na entrada. Isto acontece porque o retificador de onda completa inverteu a metade negativa do ciclo da tensão de entrada. Disto resulta que o retificador de onda completa tem uma freqüência de 120 Hz, exatamente o dobro da freqüência da rede. Especificação dos Diodos: ) todo"secundário(" )( 2 picoVV I I SRRM R F L ≥ ≥ Exemplo de aplicação: No circuito abaixo a tensão do secundário é de 30 V ac. Utilizando diodos ideais, calcule a tensão de carga dc. Deduza também as especificações e para os diodos. FI RRMV Resolução : 6-4. O Retificador em ponte Veremos agora o retificador em ponte, a forma mais fácil de se retificar, porque ele alcança a tensão de pico completa de um retificador de meia onda e o valor médio mais alto de um retificador de onda completa. Observe o circuito abaixo: Prof. Corradi 33 Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 34 ensão média de saída: T Desprezando as quedas no diodo, o pico da tensão de carga é )()( picoSpcoSaída VV = . Observe que toda a tensão do secundário aparece através do resistor de carga; este é um dos motivos que tornam o retificador em ponte melhor do que o retificador de onda completa visto no item anterior, onde somente metade da tensão do secundário chegava até a saída. Além disso, um transformador com derivação central que produza tensões iguais em cada metade do enrolamento secundário é difícil e caro de ser fabricado. Pelo fato da saída da ponte ser um inal de onda completa, o valor médio ou dc é specificação dos diodos: s )(636,0 picoSdc VV = E )( 2 picoVV I I RF L ≥ ≥ SRRM Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 35 -5. Quadro resumo – Retificadores Médios Ideais Meia Onda Onda Completa Ponte 6 Número de diodos 1 2 4 Tensã co de o de pi saída Vs (pico) 0,5 Vs (pico) Vs (pico) Tensão dc de saída 0,318 Vs (pico) 0,636 Vs (pico) 0,636 Vs (pico) Co o Idc 0,5 Idc 0,5 Idc rrente dc do diod Tensão de pico Vs (pico) Vs (pico) Vs (pico) inversa F reqüência de ondulação f (ent.) f (ent.) f (ent.) Tensão dc de saída 0,45 Vs (rms) 0,45 Vs (rms) 0,9 Vs (rms) PROBLEMAS e 60 V. Determinar para cada um dos circuitos abaixo a forma de onda da tensão de saída. ual a tensão de pico da carga? Qual a tensão dc da carga? Qual a corrente de carga dc? avés de cada diodo. Qual a corrente média retificada que passa através de cada diodo? carga dc? Qual a corrente dc através de cada diodo? Qual a Vrrm através de cada diodo? 1- A tensão de entrada Es é de forma triangular com um valor pico a pico d 2- Na fig. K, a tensão do secundário é de 40 V ac. Q 3- Dada uma tensão de secundário de 40 V ac na fig. K, calcule a corrente de carga dc e a Vrrm atr 4- A tensão do secundário na fig. L é de 60 V ac. Qual a corrente de Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 36 - Os diodos da fig. L têm uma especificação de corrente direta de 150 mA e uma especificação de tensão reversa de 75 V. Estes diodos são adequados para a tensão do abemos que a saída de um retificador médio é uma tensão dc pulsante. O que a tensão dc constante, assim para da completa em tensão dc constante, xo e as formas de onda: 5 secundário de 40 V ac? 7- O Filtro com Capacitor de entrada S necessitamos nos circuitos eletrônicos é de um convertermos um sinal de meia onda e de on precisamos usar um filtro. Observe o circuito abai Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 37 las cargas e descargas do capacitor. Quanto menor a ondulação, melhor é a retificação. -1. Determinação da tensão de ondulação odemos dizer que a ondulação é a variação da tensão do intervalo ωt1 e ωt2. cidade elementar tiramos que : - Concluímos que a tensão de carga agora é uma tensão dc quase perfeita. O único desvio são as pequenas ondulações causadas pe 7 P E qC =Dá eletri , então: á eletricidade elementar vimos que tttCt . qCVqV C qV C qq EE C q E C q E ondond ond Δ==Δ= →Δ=⇒−=− == . tempodo função na :então t2. e t1 entre diferença a é ondulação de tensãoa :Obs. e .. . 21 21 2 2 1 1 ωω tiq Δ=Δ . ; assim: D Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Hzf 120 completa onda der retificado 60 onda meiar retificado :Obs. rretificado do saída de freqüência filtro; decapacitor do iacapacitânc C max. carga de corrente a é )(i onde . :fica ondulação de tensãoa assim ..1 . 1 T período ao igual t tempoum para sãocapacitor o para descarga de criticas condições As .. C. . . .. = = = = →= →=⇒= Hzf ffC iV ifCVi f CV f T t CVi t q t CV C ond ond ond ondond ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = =⇒Δ= ∴ 7 Prof. Corradi 38 pacitor de filtro. Assim iremos escolher ma ondulação não superior à 10% da tensão de pico. ão de saída na carga de um circuito retificado om filtro à capacitor podemos estabelecer que: -2. Orientação para um projeto Podemos estabelecer um compromisso entre uma ondulação pequena e uma capacitância grande. Vamos admitir uma regra para a escolha do ca u Tensão dc na carga Observando a forma de onda aproximada da tens c 2 .ond picodc VVV −= e a resistência efetiva de saída será : specificações dos diodos Meia onda : CfRO ..5,0= . E )sec( max .2 pcoRRM RF VV II L ≥ ≥ Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 39 Onda completa : ).(sec 2 (max) picoRRM R F VV I I L ≥ ≥ Exercícios de aplicação 1- Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada tem uma tensão de pico na saída de 25 V. Se a resistência de carga for de 120 Ohms e a capacitância de 560 μF, qual a ondulação de pico a pico? Quais as especificações mínimas de e dos diodos? dc de saída para uma tensão do secundário de 12 Volts ac e C = 820 μF? Qual a ondulação de pico a pico? Quais as especificações dos diodos e a tensão de isolação do capacitor? a ondulação de pico a pico? 2- A tensão do secundário é de 25 V ac na figura abaixo. Qual a tensão de carga dc se C = 330 μF? Qual FI RRMV 3- O circuito abaixo mostra uma fonte de alimentação dividida. Devido à derivação central aterrada ( fonte simétrica ), as tensões de saída são iguais e com polaridade oposta. Quais as tensões Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 40 - Uma onda senoidal com um pico de 25 V é aplicada ao circuito que aparece na figura abaixo. Descreva a tensão de saída. igado em série com um circuito cuja resistência Thevenin seja de 1 KΩ, os diodos através do medidor podem ser de grande utilidade. Para que você acha que eles podem servir? m valor um pouco mais baixo do que a ste com um ohmímetro, você percebe que todos os diodos do exercício (2) de 127 V ac? Qual deve ser o valor do capacitor do filtro e sua tensão de isolação? Quais as especificações mínimas para os seus diodos? Esboce tral de 48 V ac que produza uma ondulação de 10 % através do filtro com capacitor de entrada com uma resistência de carga de 330 Ω. Quais as especificações mínimas dos diodos? 4 5- O amperímetro do circuito abaixo tem uma resistência do medidor de 2 KΩ e uma corrente para fundo de escala de 50 μA. Qual a tensão através desse amperímetro quando ele indicar fundo de escala? Os diodos às vezes são ligados em derivação (shunted) através do amperímetro, como mostra o circuito abaixo. Se o amperímetro estiver l 6- Você mede 24 Vac através do secundário do circuito do exercício dois (2). Em seguida você mede 21,6 V dc através do resistor de carga. Sugira alguns problemas possíveis. A tensão de carga dc do circuito do exercício (2) tem u7- deveria. Olhando para a ondulação com um osciloscópio, você descobre que ela tem um freqüência de 60 Hz. Quais são as possíveis causas? 8- Não há tensão de saída no circuito do exercício (2). Quais são as possíveis causas? Fazendo um te9- estão abertos. Você substitui os diodos. O que mais você deve verificar antes de ligar a alimentação? 10- Você está construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada. As especificações são uma tensão de carga dc de 15 V e uma ondulação de 1 V para uma resistência de carga de 680 Ω. Que tensão de rms o enrolamento do secundário deve produzir para uma tensão de linha o circuito elétrico de seu projeto. 11- Projete um retificador de onda completa usando um transformador com derivação cen Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 41 2- A fonte de alimentação dividida do exercício (3) tem uma tensão do secundário de 9 V ac. Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 % para a ondulação. seja de 12,6 V ac, uma saída dc de aproximadamente 17,8 V em 120 mA, e uma Segunda saída dc por volta de 35,6 V em 75 mA. Quais as especificações mínimas dos diodos? o do secundário na figura abaixo é de 25 Vac. Com a chave na posição mostrada qual a tensão de saída ideal? Com a chave na posição mais baixa, qual a tensão de saída ideal? as seguintes características: V dc = 30 V, potência dissipada pela carga de 300 mW. Apresentar: esquema elétrico, cálculos, lista de componentes e lay out da placa impressa. 1 13- Construa uma fonte de alimentação que preencha as seguintes especificações: a tensão de secundário 14- A tensã 15- Projetar um retificador de onda completa com capacitor de filtro, para alimentar uma carga que possui Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 42 8. Diodo de referência ou Diodo ZENER Trata-se de uma junção PN que recebe uma dopagem mais acentuada fazendo com que o dispositivo passe a trabalhar na região de ruptura ( controlada ). O diodo Zener será utilizado como estabilizador de tensão em fontes de alimentação, fontes de corrente, geradores de onda quadrada simples, etc. O diodo Zener deve ser polarizado reversamente para manter as suas características de regulador. 8-1. Diodo Zener Os diodos retificadores e de pequeno sinal nunca devem operar intencionalmente na região de ruptura porque isto pode danificá-los. Um diodo zener é diferente; é um diodo de silício que o fabricante otimiza para trabalhar na região de ruptura. Em outras palavras, ao contrario dos diodos comuns que nunca trabalham na região de ruptura, os diodos zener trabalham melhor nesta região. Às vezes chamado diodo de ruptura, o diodo zener é a parte mais importante dos reguladores de tensão, circuitos que mantém a tensão da carga praticamente constante apesar das grandes variações na tensão da rede e da resistência de carga. Alguns símbolos elétricos utilizados: 8-2. Curva característica do dispositivo ( gráfico I-V ) Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 43 Onde : máxima.zener Corrente teste;dezener Corrente nominal;zener Tensão → → → ZM ZT ZN I I V Ob.: Podemos notar que para uma grande variação da corrente do diodo zener, na região de ruptura controlada temos pouca variação da tensão em seus terminais, podemos considerar aproximadamente constante. ZNV Especificações do diodo Zener 1- Tensão zener nominal : ZNV ; 2- Potência zener máxima : maxZP ; 3- Coeficiente de temperatura; 4- Tolerância – A = ± 5% e B = ± 10%; 5- Corrente zener de teste ou mínima ( dada pelo fabricante ) - ZN Z Z V P I maxmax = Exercícios básicos: 1- Um diodo zener tem 15 V aplicado sobre ele com uma corrente de 20 mA através do mesmo. Qual a potência dissipada? 2- Se um diodo zener tiver uma especificação de potência de 5W e uma tensão zener de 20 V; qual o valor da sua corrente máxima? 3- Um diodo zener tem uma resistência zener de 5 Ω. Se a corrente variar de 10 mA a 20 mA; qual a variação da tensão através do diodo zener? 4- Uma variação de corrente de 2 mA através de um diodo zener produz uma variação de tensão de 15 mV. Qual o valor da resistência zener? 5- Conforme o circuito abaixo esboce a forma de onda de saída. Eletrônica – Dispositivos de estado sólidoProf. Corradi 44 Responda as Questões: 1- Como é utilizado o diodo zener? 2- Como se comporta o diodo zener? 3- O que é tensão zener? 4- Quais as características do diodo zener? 5- Explique cada uma de suas características. 6- Explique a relação entre corrente e resistência do diodo zener. 8-3. Regulador de tensão RZ ( sem carga e com tensão de entrada fixa ) Verificamos que o diodo zener pode manter em seus terminais uma tensão praticamente constante dentro de uma certa faixa de corrente, assim iremos utiliza-lo para manter nos terminais de uma carga uma tensão estável. Para que o diodo funcione corretamente devemos polariza-lo reversamente através de um resistor limitador de corrente a fim de mante-lo dentro da região de avalanche controlada. Se sairmos desta região podemos perder a regulação ou destruir o diodo por excesso de dissipação de potência. Observe o circuito abaixo para análise: Análise do circuito sem carga ; ) (cte. constante é cte. como :Obs. para . . onde max. . . saída ZZSaída Z Z ent Zent RZRent V VVV II R VVI VRIV RIVVVV SS == ≤−= += =+= Exercícios ( Problemas ) 1- O diodo zener do da fig. K abaixo tem uma tensão zener de 15 V e uma especificação de potência de 0,5 W. Se Vent. For de 40 V, qual o valor mínimo de Rs que impede que o diodo seja destruído? Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 45 - Para o mesmo circuito do exercício um Vz = 18 V, Rz = 2 Ohms e Vent. 27 V. Qual o valor qual o valor da variação na tensão da nado ponto Q ( quiescente = que existe ). ara o circuito abaixo iremos determinar o ponto de operação do diodo para uma variação da tensão de entrada de 20 V para 3 que há mais corrente través do diodo zener, mas aproximadamente a mesma tensão zener. Portanto, mesmo que a nsão da fonte de entrada tenha variado de 20 V para 30 V, a tensão zener é ainda raticamente igual a 12 V. Esta é a idéia básica de regulação de tensão. 2 da corrente zener? Se Vent. Aumentar para 40 V, carga? 8-4. Reta ou linha de carga Trata-se de um método gráfico onde se traça uma reta na curva característica do diodo a fim de obter o seu ponto de operação denomi P 0 V. onclusão: Comparando os ponto Q1 e Q2 na figura abaixo, vemos C a te p mA x mA x II S ZS 30 101 030 : temosV, 30V Para 20 101 020 : temosK 1 R e V 20V Para 3 ent. 3 Sent. =−= = =−== Ω== I Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 46 ções do diodo zener analisadas, existem limites máximos e mínimos para tensão de entrada e para a resistência limitadora de corrente, dentro das quais o diodo zener de saída constante e não corre o risco de se danificar. onsiderações: gula pois: 2- Se Is > Iz(max) → o diodo zener se danifica por excesso de dissipação de potência, e portanto, devemos Ter: -5. Regulador Zener circuito abaixo mostra um diodo zener usado para regular a tensão através da resistência de arga. Observe atentamente o circuito e estude bem os pontos a serem analisados. Obs.: Pelas especifica a mantém a tensão Limites de Vent. e Rs C 1- Se Is < Izt →zener não re 8 O c ZZSent VIRV += (min)(max).(min) . ZSSent. VIR += . ZSZRent VRI IIVVV S += =+=. : então . como V ZZSent (max)(min).(max)V Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 47 ontos a serem analisados: a) Se o diodo esta funcionando na região de ruptu essária uma análise mais detalhada do circuito regulador de tensão quando e tensão consiste no as demais variáveis do da ( constante ou com ripple ); característica da carga ( fixa ou variável ); do zener. ) Dimensionamento do Zener; ondulação na saída e calculo de Rs c P ra .. ent SL L th VRR RV ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += b) Corrente em série { L Z L S Zent S R VI R VVI =⇒≅−= V V Zsaída. LSZLZS IIIIII −=→+= Assim, faz-se nec neste é ligada uma carga. Basicamente, o projeto de um regulador d cálculo da resistência limitadora de corrente ( Rs ), conhecendo-se circuito, a saber: • característica da tensão de entra • • tensão de saída ( valor desejado ); • especificações do dio c .1) Para Vent.(min) ( )(min) (min)(max)(min) e (min). (min)(max). (min) (min).(min) ZZLSent ZLSSSR ZRent VIIRV IIIIRV VVV S S ++= +== += 1 equação de equação esta mosdenominare .(min) S Zent R VV − (min)(max) ZL II =+ Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 48 2 e obtemos: sta ultima equação é o valor calculado da corrente máxima que irá atravessar o diodo zener, Considerando a razão entre a ondulação de entrada e a ondulação na saída temos: c.2) Para Vent.(max) ( )(max) I e 0I então , R para ocorre casopior o (max)(min)(max) e (max). (max). S(max)LL (max) (max).(max) ZZSent Z ZLSSSR ZRent VIRV I IIIIRV VVV S S += ==∞= +== += Agora iremos relacionar a equação 1 com a equação E assim devemos Ter sempre em mente que . c.3) Ondulação CalculadoZZ II (max)(max) ≥ 2 equação de equação esta mosdenominare .(max) Zent VV −=I (max) S Z R [ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]ZentZLZ ZentZLZentZ Zent Zent Z ZL VV VVIIVVI VV VV I II − −+=− − −=+ .(min) (min)(max)(max) .(max)(min)(max).(min)(max) .(max) .(min) (max) (min)(max) Zent VVIII −+= .(max). ZZZ S S entent SS S Zent S S Zent S IRV V R VV II R VV I R VV I Δ=Δ Δ −=− − SSent ent S IRVR I Δ=Δ⇒=Δ =−= . que imosanterior v intem : temosequações as subtraíndo assim baixa, mais entrada de tensãoa menos alta mais entrada de tensãoda variaçãoa será carga na ondulaçãoA e .(min).(max) (min)(max) .(min) (min) .(max (max) ... em Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 49 .4) Cálculo de Rs - A tensão da fonte varia de 40 V para 60 V no circuito abaixo. Se o diodo zener tiver uma resistência zener de 10 Ω, qual a variação na tensão da carga? baixo, qual o valor aproximado da corrente zener para cada uma das a de carga: s; . RL = 10 K Ohms; e 4 V. Se a Sent. ZZ SS ZZ ent Z R R V V IR IR V V =Δ Δ Δ Δ=Δ Δ L . :escrever podemos cte. R um para . . c Problemas 1 2- No circuito elétrico a seguintes resistênci a. RL = 100 K Ohm b c. RL = 1 K Ohms 3- Suponha que a fonte do circuito anterior tenha uma ondulação de pico a pico d resistência zener for de 10 Ω, qual a ondulação de saída? 4- Para que valor da resistência de carga o regulador anterior para de funcionar? (max)(min) : e SSS Z Zent S ZL Zent S RRR I VV R II VV R ≤≤ (max) .(max) (min) (min)(max) .(min) (max) ≥+ −≤ − Assim Eletrônica – Dispositivos de estado sólido Prof. Corradi 50 - Qual o valor crítico da resistência em série no circuito anterior, se a resistência de carga for 1594 do circuito abaixo, Vz = 12 V e Rz = 1,4 Ω. Qual a tensão da carga? Qual a corrente zener? Qual a ondulação de saída se na entrada a ondulação
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