Eletrônica de Potência: Conceitos Básicos

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OBJETIVO DISCIPLINA
O objetivo dessa disciplina é desenvolver no acadêmico competências gerais ou de fundamento de área, de acordo com as unidades de ensino e conteúdos estudados, com foco nas habilidades necessárias para a atuação profissional.
COMPETENCIAS GERAIS
Conhecer e compreender o funcionamento de diodo, transistores, amplificadores e demais elementos empregados na eletrônica de potência.
Competências Técnicas	
Conhecer e aplicar os conceitos básicos relacionados aos transistores.
- Relatório das aulas práticas I.
Conhecer e aplicar os conceitos básicos relacionados aos amplificadores.
- Relatório das aulas práticas II.
Conhecer e aplicar os conceitos básicos relacionados a UJT, SCR, TRIAC, Mosfets e Varistores.
- Relatório das aulas práticas III.
CONTEUDO DISCIPLINA
Unidades de Ensino I
A JUNÇÃO PN - DIODO SEMICONDUTOR
- Formação do diodo e suas características
- Polarização e retificadores
- Diodo zener e reguladores de tensão.
- Circuitos com diodos e exercicios
Unidades de Ensino II
TRANSISTORES BIPOLARES
- Características e aplicações na eletrônica.
- Configurações básicas dos transistores.
- Análise de circuitos com transistores.
- Funcionamento e polarização dos transistores.
CONTEUDO DISCIPLINA
Unidades de Ensino III
AMPLIFICADORES
- Introdução e análise teórica.
- Amplificadores de tensão.
- Amplificadores de potência.
- Outros circuitos amplificadores.
Unidades de Ensino IV
OUTROS COMPONENTES E APLICAÇÕES
- Varistores e componentes ópticos
- UJT
- SCR e TRIAC
- Mosfets
Teoria dos Semicondutores
e o 
Diodo Semicondutor
Baseado no material da Profa.Lilian Barros
<lilian_barros2004@yahoo.com.br>
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Programa da aula
Introdução
Bandas de Energia
Definição - Materiais
Semicondutores Tipo N e P
Diodo Semicondutor
Junção PN
Polarização Direta e Inversa
Principais Especificações
Curva Característica e Reta de Carga
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Introdução
Antes de entrarmos no assunto propriamente dito, é necessário fazermos algumas considerações sobre o material de que são feitos alguns dos mais importantes componentes eletrônicos, tais como: diodos e transistores entre outros; este material é conhecido como semicondutor. 
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Bandas de Energia
Um átomo é formado por elétrons que giram ao redor do núcleo (prótons e nêutrons).
O número de elétrons, prótons e nêutrons é diferente para cada tipo de elemento químico.
Figura 1 - Modelo atômico de Niels Bohr 
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Bandas de Energia
A quantidade de elétrons da última camada define quantos deles podem se libertar do átomo em função da absorção de energia externa ou se esse átomo pode se ligar a outro através de ligações covalentes.
Figura 2 - Elétron Livre e Banda de condução
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Bandas de Energia
Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo. 
Eles têm uma energia maior 
Por causa da distância ao núcleo ser grande, a força de atração é menor (menor energia externa)
A região entre uma órbita e outra do átomo é denominada banda proibida, onde não é possível existir elétrons.
O tamanho da banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material.
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Bandas de Energia
Figura 3 - Isolantes, Condutores e Semicondutores
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Bandas de Energia
Material isolante: banda proibida grande exigindo do elétron muita energia para se livrar do átomo.
Material condutor: um elétron pode passar facilmente da banda de valência para a banda de condução sem precisar de muita energia. 
Material semicondutor: um elétron precisa dar um salto pequeno. Os semicondutores possuem características intermediárias em relação aos dois anteriores.
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Definição – Materiais 
Condutor é qualquer material que sustenta um fluxo de carga, quando uma fonte de tensão com amplitude limitada é aplicada através de seus terminais.
Isolante é o material que oferece um nível muito baixo de condutividade sob pressão de uma fonte de tensão aplicada.
Um semicondutor é, portanto, o material que possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.
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Definição – Materiais 
A classificação dos materiais em condutor, semicondutor ou isolante é feita pelo seu valor de resistividade (ρ).
A Tabela I apresenta os valores de resistividades típicos dos materiais.
Tabela I – Valores de resistividade típicos
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Condutor
Semicondutor
Isolante
1.72x10-6Ω-cm (Cobre)
50 Ω-cm (Germânio)
1012Ω-cm (Mica)
2.82Ω-cm (Alumínio)
50x10³ Ω-cm (Silício)
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Definição – Materiais 
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Definição – Materiais 
Semicondutores Intrínsecos
Os semicondutores mais comuns e mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge). 
Eles são elementos tetravalentes, possuindo quatro elétrons na camada de valência.
Figura 4 - Representação Plana dos Semicondutores
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Definição – Materiais 
Semicondutores Intrínsecos
Cada átomo compartilha 4 elétrons com os vizinhos, de modo a haver 8 elétrons em torno de cada núcleo
Figura 5 – Compartilhamento de elétrons
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Semicondutores Tipo N e P
Se um cristal de silício for dopado com átomos pentavalente (arsênio, antimônio ou fósforo), também chamados de impurezas doadora, será produzido um semicondutor do tipo N (negativo) pelo excesso de um elétron nessa estrutura.
Figura 6 – Semicondutor tipo N
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Semicondutores Tipo N e P
Material semicondutor tipo N
Figura 7 – Semicondutor tipo N com Arsênio 
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Semicondutores Tipo N e P
Assim, o número de elétrons livres é maior que o número de lacunas. Neste semicondutor os elétrons livres são portadores majoritários e as lacunas são portadores minoritários.
Figura 8 - Semicondutor Tipo N
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Semicondutores Tipo N e P
Se um cristal de silício for dopado com átomos trivalente (alumínio, boro ou gálio), também chamados de impurezas aceitadora, será produzido um semicondutor do tipo P (positivo) pelo falta de um elétron nessa estrutura.
Figura 9 – Semicondutor tipo P
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Semicondutores Tipo N e P
Material semicondutor tipo P
Figura 9 – Semicondutor tipo P com Índio
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Semicondutores Tipo N e P
Assim, o número de lacunas é maior que o número de elétrons livres. Neste semicondutor as lacunas são portadores majoritário e os elétrons livres são portadores minoritários.
Figura 8 - Semicondutor Tipo P
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Diodo Semicondutor
Junção PN
A união de dois cristais (P e N) provoca uma recombinação de elétrons e lacunas na região da junção, formando uma barreira de potencial.
Figura 9 – Barreira de Potencial
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Diodo Semicondutor
Junção PN
Cada lado do diodo recebe um nome: O lado P chama-se de anodo (A) e o lado N chama-se de catodo (K).
Figura 10 – Imagem e símbolos do Diodo
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Diodo Semicondutor
Polarização direta da junção PN
Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento P da junção PN e o terminal negativo da bateria ao lado N.
Figura 11 – Junção PN polarizada diretamente
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Diodo Semicondutor
Polarização inversa da junção PN
Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento N junção PN e o terminal negativo da bateria no lado P.
Figura 12 – Junção PN polarizada inversamente
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Diodo Semicondutor
Principais Especificações do Diodo
Na polarização direta só existe corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo for maior que Vd (0,7V). Existirá uma corrente máxima que o diodo poderá conduzir (Idm) e uma potência máxima de dissipação (Pdm): Pdm = V.Idm
Na polarização reversa existe uma tensão máxima chamada de tensão de ruptura ou breakdown (Vbr) e uma corrente muito pequena denominada de corrente de fuga.(If)
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Diodo Semicondutor
Curva Característica do Diodo
Na polarização direta
Figura 12 – Diodo polarizado diretamente e sua curva característica29
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Diodo Semicondutor
Curva Característica do Diodo
Na polarização inversa
Figura 13 – Diodo polarizado inversamente e sua curva característica
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Diodo Semicondutor
Curva Característica do Diodo
Gráfico completo
Figura 14 – Curva característica do Diodo
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Diodo Semicondutor
Reta de Carga
Método para determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo.
Figura 14 – Reta de carga do Diodo
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Diodo Semicondutor
Aproximações do Diodo
1ª aproximação (Diodo ideal)
Figura 15 – Diodo como chave
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Diodo Semicondutor
Aproximações do Diodo
2ª aproximação
Figura 16 – Diodo como chave e fonte
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Diodo Semicondutor
Aproximações do Diodo
3ª aproximação
Figura 17 – Diodo como chave, fonte e resistência
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Diodo Semicondutor
Teste de Diodos com Multímetro Digital
Coloque a chave seletora na posição com o símbolo do diodo e meça o componente nos dois sentidos. 
Num sentido o visor deve indicar um valor de resistência e no outro ficar apenas no número "1". Veja a seguir:
Figura 17 – Diodo como chave, fonte e resistência
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Diodo Semicondutor
Teste de Diodos com Multímetro Digital
Figura 18 – Diodo como chave, fonte e resistência
Fonte: http://www.burgoseletronica.net
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Circuitos com Diodo
Profa. Lilian Barros
< lilian_barros2004@yahoo.com.br >
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Programa da aula
Introdução
Sinal Senoidal
Circuitos Retificadores
		
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Introdução
Figura 1 - O fluido pode circular livremente
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Introdução
Figura 2 - O fluido não pode circular
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Introdução
Dependendo do lado em que foi feita a conexão de entrada para alimentação se obtém ou não a passagem do fluido, então a válvula determina o sentido da circulação do fluido. 
Em um circuito elétrico as funções da válvula do exemplo anterior são executadas por um componente eletrônico: O diodo.
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Sinal Senoidal
Sinal elétrico alternado mais comum e pode ser representado matematicamente por:
onde:
A - amplitude ou valor máximo da senóide (Vp);
 - frequência angular (radianos por segundo);
t - tempo (segundos); e
 - ângulo de fase (radianos).
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Sinal Senoidal
Figura 3 - Sinal Senoidal 
onde:
Valor de pico a pico (Vpp): Vpp=2.Vp;
Valor médio da senoide (Vmed): Vmed=0;
Valor eficaz ou RMS (Vef): Vef=0,707.Vp;
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Figura 4 - Parâmetros Importantes de uma Tensão Senoidal.
Forma de onda Gráfico de uma grandeza, como a tensão, em função do tempo.
Valor instantâneo Amplitude de uma forma de onda em um instante de tempo qualquer (e1, e2).
Valor de pico Valor máximo de uma função medido a partir do nível zero.
Valor de pico a pico Diferença entre os valor dos picos positivo e negativo. (Ep-p ou Vp-p)
Valor médio Soma algébrica das áreas divido pelo comprimento da curva.
Sinal Senoidal
Figura 5 - Definição de Ciclo e Período de uma Forma de Onda Senoidal.
Forma de onda peródica Forma de onda quese repete após um certo intervalo de tempo constante.
Período (T) Intervalo de tempo entre repetições sucessivas de uma de onda peródica (T1 = T2 = T3).
Ciclo Parte de uma forma de onda contida em um intervalo de tempo igual a um período.
Frequência (f) O número de ciclos contidos em 1 s.
Sinal Senoidal
Figura 6 - Arranjo Experimental para Estabelecer uma Relação entre Correntes e Tensões Contínuas e Alternadas.
Igualando a potência média fornecida pela fonte de corrente alternada à potência fornecida pela fonte de corrente contínua, temos:
o que significa o seguinte: Do ponto de vista da potência dissipada, uma corrente alternada equivale a uma corrente contínua igual a 0,707 vezes o seu valor de pico.
Sinal Senoidal
Circuitos Retificadores
Tem por objetivo transformar as tensões alternadas (CA) senoidais em tensões contínuas (CC), para alimentação de aparelhos eletrônicos.
A tensão alternada da rede, antes de ser ligada ao retificador, precisa ser reduzida, trabalho realizado pelo transformador.
A tensão contínua, depois do retificador, por vezes precisa eliminar as variações para que a mesma torne-se constante, o que é feito através de filtros ou circuitos reguladores de tensão.
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Circuitos Retificadores
Transformador elétrico
Figura 7 – Modelo do Transformador Elétrico
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f
N1
N2
I1
I2
V1
V2
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Circuitos Retificadores
Diagrama de blocos de retificador
Figura 8 – Diagrama de Blocos de Uma Fonte de Alimentação
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Circuitos Retificadores
Transformador abaixador
Figura 9 - Transformador Abaixador
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Circuitos Retificadores
Retificador de Meia-onda
É o mais simples dos retificadores. A sua constituição básica é um diodo em série com uma carga RL. 
Figura 10 - Retificador de Meia-onda
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Circuitos Retificadores
Retificador de Meia-onda (funcionamento)
Neste circuito vê-se que durante o semi-ciclo positivo de V2, o diodo conduz (polarização direta), fazendo com que a tensão de saída seja igual à de entrada.
 Porém, no semi-ciclo negativo, o diodo corta (polarização reversa), fazendo com que a tensão de saída seja nula e a tensão de entrada caia toda em cima do diodo.
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Circuitos Retificadores
Retificador de Meia-onda (formas de onda)
Figura 11 - Formas de ondas para retificador de meia onda
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Circuitos Retificadores
Retificador de Meia-onda
Como a forma de onda na carga não é mais senoidal, o seu valor médio deixa de ser nulo:
Nota: Considerando o diodo com Vγ, o mesmo deverá ser considerado no cálculo do Vm.
Para que o diodo não queime, ele deve suportar a corrente média (Im) e a tensão de pico reversa (VBR):
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Circuitos Retificadores
Retificador de Onda Completa em Ponte 
 
Figura 12 – Esquema Elétrico do Retificador em Ponte 
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Circuitos Retificadores
Retificador de Onda Completa em Ponte 
Durante o semiciclo positivo, os diodos D1 e D3 conduzem e os diodos D2 e D4 cortam. Transferindo, assim, toda a tensão de entrada para a carga.
Durante o semiciclo negativo, os diodos D2 e D4 conduzem e os diodos D1 e D3 cortam, fazendo com que toda a tensão de entrada caia sobre a carga com a mesma polaridade que a do semiciclo positivo. 
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Circuitos Retificadores
Retificador de Onda Completa em Ponte
Figura 13 - Comportamento do Retificador em Ponte 
 
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Circuitos Retificadores
Retificador de Onda Completa em Ponte
Figura 14 - Comportamento do Retificador em Ponte 
 
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Circuitos Retificadores
Retificador de Onda Completa em Ponte
A tensão de saída dobra de valor, a tensão média na carga também dobra, ou seja:
Os diodos são especificados a partir dos seguintes critérios:
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Circuitos Retificadores
Retificador de Onda Completa em Ponte
Figura 15 – Formas de onda do Retificador em Ponte 
 
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Circuitos Retificadores
Filtro capacitivo
Para que a fonte de alimentação fique completa, falta ainda fazer a filtragem do sinal retificado para que o mesmo se aproxime o máximo possível de uma tensão contínua e constante.
A utilização de um filtro capacitivo é muito comum nas fontes que não necessitam de boa regulação, ou seja, que podem ter pequenas oscilações na tensão de saída. Um exemplo é o eliminador de pilhas de uso geral.
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Circuitos Retificadores
Filtro capacitivo
A figura abaixo mostra a ligação de um filtro capacitivo a um retificador de onda completa em ponte.
Figura 16 - Fonte com Filtro Capacitivo
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Circuitos Retificadores
Filtro capacitivo
Com o filtro capacitivo o sinal de saída fica com a forma mostrada abaixo 
Figura 17 - Forma de Onda na Saídada Fonte
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Circuitos Retificadores
Filtro capacitivo (funcionamento)
Com o primeiro semiciclo do sinal retificado o capacitor carrega-se através dos diodos D1 e D3 até o valor de pico. Quando a tensão retificada diminui, os diodos que estavam conduzindo ficam reversamente polarizados, fazendo com que o capacitor se descarregue lentamente pela carga RL.
Quando no segundo semiciclo, a tensão retificada fica maior que a tensão no capacitor, os diodos D2 e D4 passam a conduzir carregando novamente o capacitor até o valor de pico, e assim sucessivamente, formando uma ondulação chamada ripple.
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Circuitos Retificadores
Filtro capacitivo (funcionamento)
Quanto maior o capacitor ou a resistência de carga, menor será a ondulação. O valor médio da tensão de saída será chamado de Vmf.
O valor de pico a pico do ripple pode ser calculado pela equação abaixo:
Onde:
Vmf: Tensão média após filtragem
f: frequência da ondulação
RL: resistência de carga
C: Capacitor de filtro
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Circuitos Retificadores
Filtro capacitivo (funcionamento)
Assim, para o projeto de uma fonte de alimentação deve-se antes estipular a tensão média de saída e o ripple desejado, para em seguida, calcular o capacitor necessário para a filtragem, as especificações dos diodos e as especificações do transformador.
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Fim
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