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DIODOS ESPECIAIS ENG.º EDERSON ZANCHET DIODOS - COMPORTAMENTO DINÂMICO O estudo do diodo em condições dinâmicas leva em conta os efeitos associados ao bloqueio e condução do diodo. De acordo com as características do material empregrado, efeito capacitivo gerado em condição reversa e a taxa de variação da corrende em polarização direta em função do tempo, fatores como esses, associdos determinam as características dinâmicas do componete além do tempo de recuperação do diodo que determinará a frequência máxima que o componente pode operar. 2 DIODOS - COMPORTAMENTO DINÂMICO Os diodos podem ser classificado como: 1.Lentos; 2.Rápidos; 3.Ultra-rápidos. Como exemplo para correntes de até 50A e tensões de até 500V, os diodos lentos apresentam tempos recuperação superiores à 1μs, diodos rapidos trr menores que 200ns e os ultra rápidos tempos menores que 70ns. 3 DIODO DE SCHOTTKY - FUNCIONAMENTO Seu nome é uma homenagem ao físico alemão Walter Hermann Schottky. Diodo Schottky é um tipo de diodo que se utiliza o efeito Schottky na semicondução. Sua construção é diferente da junção PN convencional. 4 Figura 1 – Estrutura interna do diodo schottky Fonte: [2] DIODO DE SCHOTTKY-FUNCIONAMENTO O semicondutor normalmente empregado apresenta característica tipo N, entretanto em alguns casos é utilizado material tipo P. Na Figura 1 tem-se exemplo da estrutura do diodo de schottky, onde tem-se a junção metal-semicondutor, de acordo com o metal empregado o componente apresentará características diferentes, níveis de tensão e faixa de frequência. De acordo com a forma construtiva e o emprego de materiais metálicos a injeção de outros materiais para processo de dopagem, esse como possuem um nível energético maior são conhecidos como “portadores quentes”, devido esse arranjo de metal – semicondutor as característivas se assemelham ao diodo de germânio. 5 DIODO DE SCHOTTKY CURVA CARACTERÍSTICA A Figura 2 apresenta um comparativo da curva do diodo retificador comum com diodo de schottky, observa-se que na regiao reversa a capacidade de bloqueio é inferior a do diodo retificador comum, embora essa caracteristica foi melhorada em diversos componentes. A capacidade de condução vai até 75A, mas há versões até 100A. 6 Figura 2 – Curva característica do diodo schottky Fonte: [2] DIODO DE SCHOTTKY -APLICAÇÕES A principal aplicação dessa estrutura é em: 1.Sistemas com chaveamento de alta frequência devido a sua capacidade de recuperação (frequência de chaveamento); 2.Aplicado em fontes de potência de baixa tensão/alta corrente, em conversores CA→CC(20KHz); 3.Radares; 4.Lógica TTL para computadores; 5.Sistemas de comunicação; 6.Instrumentação; 7.Conversores A/D e D/A [2]. 7 DIODO DE SCHOTTKY - APLICAÇÕES Para aplicação em fontes pode suportar uma corrente de 50A para uma tensão direta de 0,6V (25°C) e tempo de recuperação de 10ns, enquanto o diodo comum ira operar proximo de 1,1V e tempo de recuperação que vai de 20 a 30ns, a diferença parace despresível, mas se obtivervos o valor da potência: Pschottky = 0,6.50 = 30W; Pretificador = 1,1.50 = 55W Quando comparo em termos de efeciência o primeiro apresenta grande vantagem [2]. 8 DIODO DE SCHOTTKY A Figura 3 apresenta simbologia para diodo de schottky, embora exista variações do simbolo. Na Figura 4 temos dois modelos de encapsulamento utilizados, nota-se semalhança com diodo retificador comum. 9 Figura 4– Modelos de encapsulamento do diodo schottkyFigura 3 – Simbologia do diodo de Schottky Fonte: [2] DIODO VARACTOR - FUNDAMENTOS O varactor, capacitância variável com a tensão, varicap, epicap ou também diodo de sintonia) é amplamente utilizado: 1.Receptores de televisão; 2.Receptores de FM; 3.Outros equipamentos de comunicação; 4.Circuitos resonantes. Os materias semicondutores P e N comportam-se como as placas de um capacitor e a camada de depleção funciona como o dielétrico. 10 DIODO VARACTOR - FUNDAMENTOS Quando um diodo é reversamente polarizado a largura da camada de depleção cresce com o aumento da tensão reversa, assim a camada de depleção fica mais larga com a tensão reversa, a capacitância diminui. Isso é equivalente ao afastamento das placas de um capacitor, em termos básicos a capacitância é controlada pela tensão [1] A estrutura interna do Varactor é apresentada na Figura 5. 11 Figura 5 – Estrutura Interna do Varactor Fonte: [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/89/Varactor.svg/640px-Varactor.svg.png] DIODO VARACTOR CURVA CARACTERÍSTICA A Figura 6 apresenta simbologia utilizada para identificação. 12 Figura 6 – Simbologia do Varactor Fonte: [http://www.cbtricks.com/handyandy/PC-122/graphics/Variousvaractor.gif] DIODO VARACTOR CURVA CARACTERÍSTICA A Figura 7 apresenta a curva característiva em termos de tensão reversa e capacitância. 13 Figura 7 – Curva característica do Varactor Fonte: [http://www.maximintegrated.com/images/appnotes/1964/1964Fig01.gif] DIODO VARACTOR CARACTERÍSTICAS Segundo o princípio de funcionamento, a capacitância varia de acordo com com a tensão reversa aplicada sobre o componente, conforme expresso pela equação: Onde: k = Constante determinada pelo tipo de material semicondutor; Vt= potencial de joelho; Vr= valor do potencial de polarização reverso aplicado; N=1/2 para junções de liga e 1/3 para junções difusas; 14 DIODO VARACTOR CIRCUITO RESSONANTE A Figura 8 apresenta um exemplo de circuito com varactor e imagem de um varicap comercial 15 Figura 8 – Circuito ressonante (a) Modelo de Diodo Varactor (b) Fonte: [http://myweb.tiscali.co.uk/hotfusion/tr45/tr45_original_circuit.gif] DIODO PIN O nome é devido à existência de uma camada I (intrínseca) entre as camadas P e N, Figura 9. Quando diretamente polarizado, lacunas e elétrons são injetados na camada intrínseca I e suas cargas não se anulam de imediato, elas permanecem ativas por um determinado período. Isso resulta em uma carga média na camada que possibilita a condução. Na polarização reversa não há carga armazenada e o diodo se comporta como um capacitor em paralelo com a resistência própria do conjunto. 16 Figura 9 – Diodo PIN Fonte: [http://www.mspc.eng.br/eletrn/im01/semic215.gif] DIODO PIN Com tensão contínua ou de baixa freqüência, o diodo PIN tem comportamento próximo do diodo de junção PN. Em freqüência mais altas, de períodos inferiores ao tempo de duração das cargas, a resistência apresenta uma variação característica com a corrente. Isso dá ao componente aplicações variadas em altas freqüências, como chaves, atenuadores, filtros, limitadores, etc. 17 Figura 10 – Comportamento resistência vs corrente no diodo PIN Fonte: [http://www.mspc.eng.br/eletrn/im01/semic215.gif] DIODO PIN A Figura 11 apresenta exemplo de uso como chave de radiofreqüência em um conjunto transmissor e receptor que compartilham a mesma antena. Se +V é aplicado, o transmissor é conectado à antena e o receptor, bloqueado. E vice-versa. 18 Figura 11 – Exemplo de aplicação do diodo PIN Fonte: [http://www.mspc.eng.br/eletrn/im01/semic215.gif] DIODO TÚNEL FUNDAMENTOS Fabricado com um nível de dopagem que vai de 100 à 1000 vezes o empregado em diodos retificadores comum, apresentado por Leo Esaki em 1958 apresenta características diferenciadas dos demais devido a regiao negativa existente na polarização direta, conforme pode-se observar na figura 12. Devido a intensa dopagem, a região de deplecção é muito estreita formando um túnel, e produzindo portadores com velocidades superiores a dos diodos comuns o que permite operação em altas frequências. 19 DIODO TÚNELFUNDAMENTOS 20 Figura 12 – Curva característiva do diodo tunel Fonte: [http://www.mspc.eng.br/eletrn/im01/semic215.gif] DIODO TÚNEL FUNDAMENTOS A característica de resistência negativa permite a construção de osciladores simples. Entretanto, os diodos túnel são pouco usados atualmente. As principais desvantagens são a baixa potência e o custo, fatores que são melhor atendidos por outras tecnologias. Na Figura 13 tem-se simbologia normalmente utilizada. 21 Figura 16 – Diodo túnel Figura 15 – Simbologia diodo Túnel (a) Modelo diodo túnel comercial Fonte: [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bd/GE_1N3716_tunnel_diode.jpg/250px-GE_1N3716_tunnel_diode.jpg] DIODO GUNN - FUNDAMENTOS A sua construção interna é diferente de outros diodos em que ela consiste apenas de material semicondutor tipo N-dopado ao passo que a maioria dos diodos consistem em P e N-dopado regiões. No diodo Gunn, existem três regiões: dois deles são fortemente dopado em cada terminal, com uma fina camada de material levemente dopado no meio. Quando uma tensão é aplicada ao dispositivo, o gradiente elétrico irá ser maior de um lado da camada média fina a condução ocorrerá como em qualquer material condutor com corrente proporcional à tensão aplicada [5]. 22 DIODO GUNN - FUNDAMENTOS Apresenta diferenças na curva característica (Figura 16 ). 23 Figura 16 – Curva Característiva diodo Gunn Fonte: [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Diod_gunn.jpg/220px-Diod_gunn.jpg] DIODO GUNN - FUNDAMENTOS É assim denominado em homenagem a J Gunn, descobridor (em 1963) do efeito da geração de microondas por semicondutores N. Devido à sua capacidade de alta frequência, os diodos de Gunn são usados principalmente em frequências de microondas e acima. A aplicação mais comum em osciladores , mas são também utilizados em amplificadores de microondas. A simbologia utilizada pode ser verificada na Figura 18. 24 Figura 18 – Simbologia e Diodo Gunn Fonte: [http://proton.ucting.udg.mx/materias/CIE-24/Unidad.00/simbologia/index_archivos/image060.png] DIODO GUNN - FUNDAMENTOS O dispositivo exibe característica de resistência negativa. O material semicondutor pode ser arsenieto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), este último para freqüências mais elevadas. Podem oscilar em freqüências de cerca de 5 GHz até cerca de 140 GHz. [5] 25 Figura 19 – Sistema equivalente de funcionamento do diodo Gunn Fonte: [http://www.mspc.eng.br/eletrn/im01/semic213.gif DIODO GUNN - FUNDAMENTOS A freqüência gerada por um diodo Gunn depende principalmente da espessura da camada ativa. Entretanto, dentro de certos limites, ela pode ser ajustada pela ressonância da cavidade, através da haste de sintonia (Figura 19). 26 Figura 20 – Diodo Gunn para oscilador microondas M31102-1 Fonte: [http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ganna_gjenerators_M31102-1.jpg] DIODO IMPATT - FUNDAMENTOS O diodo Impatt, cujo nome vem de Impact (Avalanche Transit Time). Este componente pode ser usado para produzir sinais na faixa de 3 a 100 GHz com potências de saída que ficam normalmente entre 0,1 e 1 W, o que é mais do que os outros componentes da mesma família j citados. A idéia básica do diodo Impatt é de W. Schockley dos laboratórios da Bell Telephone e vem de 1954. Inicialmente Schockley propôs o uso de uma junção PN no seu dispositivo mas posteriormente para se obter um componente prático a idéia teve de ser aperfeiçoada por W. T. Read em 1958 que passou ao uso de uma junção completa do tipo P+/N/I/N+. No entanto, um dispositivo prático só apareceu pela primeira vez em 1965 utilizando além da estrutura proposta por Read diversas outras. 27 DIODO IMPATT - FUNDAMENTOS A estrutura física é semelhante à do diodo PIN. A tensão aplicada causa ruptura momentânea, uma vez em cada ciclo. O processo gera uma corrente pulsante através do componente,tem sido utilizado basicamente em osciladores de microondas, podendo chegar a 300 GHz, com rendimento de até 15%. Apresenta baixo rendimento, o que limita seu uso em transmissões pulsadas, na maioria dos casos, além de ter seu desempenho dependente da temperatura. 28 Figura 21 – Diodo Impatt estrutura básica Fonte: [http://www.clovisalmeida.xpg.com.br/arquivos.pdf/eletronica_rf/diodos.pdf] DIODO IMPATT - APLICAÇÕES Principais aplicações: 1.Receptores de radar de trânsito; 2.Sistemas de alarme; 3.Amplificadores com resistência negativa; 4.Multiplicadores de freqüência. Apesar da estrutura básica mostrada, pode ser encapsulado de várias formas, conforme a conveniência. É mais ruidoso que o diodo Gunn porém possuem melhor estabilidade e potência mais elevada.Sua principal desvantagem é o elevado ruído de fase gerado pelo processo de avalanche. 29 DIODO IMPATT - FUNDAMENTOS 30 Figura 22 – Diodo Impatt - exemplo Fonte: [http://www.elva1.com/products/microwave/i-CIDO/2_1z.jpg] TERMISTORES– FUNDAMENTOS O termistor apresenta característica de variação de sua resistência de acordo com a temperatura, não se trata de um componente de junção do tipo PN, porém é composto por Germanio, Silicio ou mistura de óxidos de cobalto, níquel ou manganês de acordo com o coeficiente de temperatura desejado. 31 Figura 21 – Exemplo de termistor Fonte: [http://1.bp.blogspot.com/-E78RT-6daBg/TWeb1S9d25I/AAAAAAAAAAc/42n0Aimk6Zs/s400/termistores.jpg] TERMISTORES– FUNDAMENTOS A resistência elétrica dos termistores pode variar tanto de forma proporcional ou inversa com o aumento de temperatura ao qual o sensor for exposto. Por essa característica é feita uma classificação do termistores, sendo NTC (negative temperature coeficiente) e PTC (positive temperature coeficiente). 32 Figura 22 – Comporatamento do termistor em relação temperatura vs resistência Fonte: [Autor] PTC NTC R Temperatura Resistência EXERCÍCIOS CAPITULO 20 Página 588. 20.1 Diodo de barreita Schottky Exercícios 2 e 6. Página 589 20.3 Diodo Varactor Exercício 7 20.5 Diodo Diodo Tunel Exercício 15 Página 590 20.11 Termistores Exercício 44 e 47 33 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. Vol. I - 4.ª; Ed. Makron Books: São Paulo, 1995. [2] BOYLESTAD, R. L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos; Ed. Prentice Hall: São Paulo, 2004. [3] BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrônica; UNICAMP, 2000. [4] BARBI, Ivo, Eletrônica de Pôtencia – 6ª edição, Ed. Do autor: Florianópolis, 2005. [5] Diodos Semicondutores II, disponível em http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic_220.shtml#diodo_tunel acesso em 27 ago. 2012. EDERSON ZANCHET Mestrando em Engenharia Elétrica e Informática Industrial - UTFPR Engenheiro de Controle e Automação - FAG Departamento de Engenharia – FAG Docente Disciplina de Eletronica Analógica ederson.zt@gmail.com ezanchet@fag.edu.br www.fag.edu/professores/ederson
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