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Aula 2 _ Diodos Semicondutores e Aplicações 2018
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Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Diodos Semicondutores Funcionanento e Aplicações Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Objetivos: - Explicar e analisar circuitos eletrônicos básicos com diodos. - Compreender os conceitos elementares, envolvendo os diodos semicondutores; - Aplicar os conhecimentos sobre diodos na análise de circuitos eletrônicos complexos; - Manipular circuitos eletrônicos elementares com diodos, realizando modelagem e medidas. Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Sumário: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Introdução: Motivação: A válvula termoiônica: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Introdução: Motivação: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Materiais Semicondutores: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Dopagem: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Portadores de Carga: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Junção PN: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Polarização Direta e Reversa: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Tensão e Corrente em um Diodo: Com auxílio da física do estado sólido, pode-se mostrar que as características gerais de um diodo semicondutor são definidas pela seguinte equação (equação de Shockley para o diodo) para as regiões de polarização direta e reversa (Boylestad, pag. 9): 𝑰𝑫 = 𝑰𝑺 𝒆 𝒌 Τ𝑽𝑫 𝑻𝑲 − 𝟏 𝑰𝑺 - - > corrente de saturação reversa 𝒌 - - > constante do material (𝒌𝑮𝒆 = 𝟏𝟏𝟔𝟎𝟎 e 𝟓𝟖𝟎𝟎 ≤ 𝒌𝑺𝒊 ≤ 𝟏𝟏𝟔𝟎𝟎) 𝑻𝑲 - - > temperatura da junção em Kelvin (𝑻𝑲 = 𝑻𝑪 + 𝟐𝟕𝟑°) Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: Diodo Ideal 𝑉𝐽 Ideal Real Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: 𝑰𝑫 𝑽𝑫 1 𝜇𝐴 0,294 𝑉 0,1 𝑚𝐴 0,47 𝑉 0,434 𝑚𝐴 0,547 𝑉 1 𝑚𝐴 0, 59 𝑉 1,5 𝑚𝐴 0,6 𝑉 2 𝑚𝐴 0,62 𝑉 2,5 𝑚𝐴 0,632 𝑉 2,9 𝑚𝐴 0,64 𝑉 4 𝑚𝐴 0,66 𝑉 10 𝑚𝐴 0,698 𝑉 50 𝑚𝐴 0,766 𝑉 60 𝑚𝐴 0,772 𝑉 Diodo 1N 4007 𝑰𝑺 = 𝟎, 𝟔𝟑 𝝁𝑨 𝑰𝑫 = 𝑰𝑺 𝒆 𝒌 Τ𝑽𝑫 𝑻𝑲 − 𝟏 Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: Diodo 1N 4007 (Silício) 𝑰𝑺 = 𝟎, 𝟔𝟑 𝝁𝑨 𝑰𝑫 = 𝑰𝑺 𝒆 𝒌 Τ𝑽𝑫 𝑻𝑲 − 𝟏 𝑻𝑲 = 𝟐𝟐, 𝟔 + 𝟐𝟕𝟑 = 𝟐𝟗𝟓, 𝟔 𝑲 Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: 𝑰𝑫 𝑻𝑳𝑵 𝑽𝑫 1 𝜇𝐴 281,0019 0,294 𝑉 0,1 𝑚𝐴 1,4997 ∙ 103 0,47 𝑉 0,434 𝑚𝐴 1,9322 ∙ 103 0,547 𝑉 1 𝑚𝐴 2,1787 ∙ 103 0, 59 𝑉 1,5 𝑚𝐴 2,2985 ∙ 103 0,6 𝑉 2 𝑚𝐴 2,3835 ∙ 103 0,62 𝑉 2,5 𝑚𝐴 2,4494 ∙ 103 0,632 𝑉 2,9 𝑚𝐴 2,4933 ∙ 103 0,64 𝑉 4 𝑚𝐴 2,5883 ∙ 103 0,66 𝑉 10 𝑚𝐴 2,8592 ∙ 103 0,698 𝑉 50 𝑚𝐴 3,3349 ∙ 103 0,766 𝑉 60 𝑚𝐴 3,3888 ∙ 103 0,772 𝑉 Diodo 1N 4007 (Silício) 𝒌 =? - - > (Método dos Mínimos Quadrados) 𝑻𝑳𝑵 = 𝑻𝒌 ∙ 𝒍𝒏 𝑰𝑫 𝑰𝑺 + 𝟏 = 𝒌 ∙ 𝑽𝑫 𝒌 = σ𝒏𝑻𝑳𝑵 ∙ 𝑽𝑫 σ𝒏𝑽𝑫 𝟐 𝒌 = 𝟑𝟗𝟎𝟐, 𝟔𝟏𝟒𝟖 Τ𝑲 𝑽 Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: Exercício 1: Calcule o valor do resistor “𝑹𝑫” que permita o diodo de silício D operar polarizado diretamente para proteger a carga “𝑹𝑳” contra inversão de polaridade, considerando que a carga precisa de uma tensão de 9 V e de uma corrente de 12 mA para o seu funcionamento correto a uma temperatura de 27°C. A corrente direta no diodo é um Ampère, quando aplicada uma tensão direta de 0,93 V nessa temperatura. 𝑽𝑮 = 𝟏𝟐 𝑽 𝑹𝑳 𝑹𝑫 𝑫 Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: Exercício 1: Calcule o valor do resistor “𝑹𝑫” que permita o diodo de silício D operar polarizado diretamente para proteger a carga “𝑹𝑳” contra inversão de polaridade, considerando que a carga precisa de uma tensão de 9 V e de uma corrente de 12 mA para o seu funcionamento correto a uma temperatura de 27°C. A corrente direta no diodo é um Ampère, quando aplicada uma tensão direta de 0,93 V nessa temperatura. 1) 𝑉𝐺 = 𝐼𝐿𝑅𝐷 + 𝑉𝐷 + 𝑉𝐿 ⟹ 12 ∙ 10 −3𝑅𝐷 + 𝑉𝐷 = 3 2) 𝑰𝑫 = 𝑰𝑺 𝒆 𝒌 𝑽𝑫 𝑻𝑲 − 𝟏 ⟹ 𝟏 = 𝑰𝑺 𝒆 𝟓𝟖𝟎𝟎 𝟎,𝟗𝟑 𝟑𝟎𝟎 − 𝟏 ⟹ 𝑰𝑺 = 𝟏 𝒆 𝟓𝟖𝟎𝟎 𝟎,𝟗𝟑 𝟑𝟎𝟎−𝟏 = 𝟏 𝒆𝟏𝟕,𝟗𝟖−𝟏 = 𝟏, 𝟓𝟓𝟑𝟖 ∙ 𝟏𝟎−𝟖 𝑨 3) 𝑰𝑫 = 𝟏, 𝟓𝟓𝟑𝟖 ∙ 𝟏𝟎 −𝟖 𝒆𝟏𝟗,𝟑𝟑𝟑𝟑𝑽𝑫 − 𝟏 ⟹ 𝟏𝟗, 𝟑𝟑𝟑𝟑𝑽𝑫 = ln 12∙10−3 𝟏,𝟓𝟓𝟑𝟖∙𝟏𝟎−𝟖 + 1 ⟹ 𝑽𝑫 = 𝟏𝟑,𝟓𝟓𝟕𝟏 𝟏𝟗,𝟑𝟑𝟑𝟑 = 𝟎, 𝟕𝟎𝟏𝟐 𝑽 4) 12 ∙ 10−3𝑅𝐷 + 0,7012 ⟹ 𝑅𝐷 = 2,2988 12∙10−3 = 191,5667 Ω Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Aplicações do Diodo: Porta OU Regulador Zener Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superiorde Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Curva Característica e Reta de Carga: Exercício: O Zener 1N4742A possui na região Zener as seguintes características: 1) “𝑰𝒁 = 𝟐𝟏𝒎𝑨” para uma “𝑽𝒁 = 𝟏𝟐 𝑽” à temperatura ambiente 𝑻𝑨 = 𝟐𝟓℃; 2) Reduz a potência máxima à taxa de 6,67 mW/°C na faixa em que 𝟓𝟎℃ ≤ 𝑻𝑨 ≤ 𝟏𝟕𝟓℃; 3) Potência máxima do Zener 1 W na faixa em que 𝟎℃ ≤ 𝑻𝑨 < 𝟓𝟎℃. No circuito abaixo, calcule o valor da resistência 𝑹𝒁. Além disso, calcule a tensão que a carga receberá, quando o Zener dissipar 50% de sua potência máxima. 𝑽𝑮 = 𝟏𝟑, 𝟖 𝑽 𝑹𝑳 = 𝟓𝟎 𝛀 𝑹𝒁 𝑫𝒁 𝑹𝒁 = 𝟔, 𝟖𝟗𝟔𝟔 𝛀 𝑽𝒁 = ൝ 𝟏𝟏, 𝟖𝟕𝟏𝟗 𝑽 6,0636 + 32,7267 + 0,0202 ∙ 𝑇𝐴 Resposta: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Aplicações do Diodo: Retificador de meia onda Retificadores de onda completa Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Aplicações do Diodo: Capacitor de filtro: 𝑇 𝜏𝐻 𝑇/2 𝜏𝐹 𝑉𝑚 𝑉𝑚 𝑉𝑟 𝑉𝑟 𝑽𝒓 = 𝑽𝒎𝒆 − 𝑰𝑳 𝑪𝑽𝑳 𝑻−𝝉𝑯 𝑪𝑯 = 𝑰𝑳 𝑽𝑳𝒍𝒏 𝑽𝒎 𝑽𝒓 𝑻 − 𝝉𝑯 𝑽𝒓 = 𝑽𝒎𝒆 − 𝑰𝑳 𝑪𝑽𝑳 𝑻 𝟐−𝝉𝑭 𝑪𝑭 = 𝑰𝑳 𝑽𝑳𝒍𝒏 𝑽𝒎 𝑽𝒓 𝑻 𝟐 − 𝝉𝑭 Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Aplicações do Diodo: Fonte Simétrica de onda completa: Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Aplicações do Diodo: Multiplicadores de Tensão Centro de Educação Superior de Brasília Centro Universitário Instituto de Educação Superior de Brasília Curso: 2080 – Engenharia Elétrica Professor: João Matos Pinheiro Filho Disciplina: ENG025 – Eletrônica Básica Sumário:
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