UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes Aula 3- MODELO ELÉTRICO DO DIODO SEMICONDUTOR Curitiba, 10 março de CONTEÚDO DA AULA 1. REVISÃO: formação do diodo 2. CONTEXTUALIZAÇÃO 3. MODELOS ELÉTRICOS DO DIODO 4. NÍVEIS DE RESISTÊNCIA 5. DIODOS EM SÉRIE E PARALELO 6. EXERCÍCIOS 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 2 1

2 3-FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR Processo de recombinação dos portadores dá origem a uma região desprovida de portadores de carga elétrica móveis região de depleção ou camada de depleção. Junção PN 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 3 1-REVISÃO: POLARIZAÇÃO DIRETA & REVERSA POLARIZAÇÃO DIRETA A K Cristal P Vcc + - Cristal N POLARIZAÇÃO REVERSA Cristal P - A K Vcc Cristal N + *A tensão da camada de depleção é um valor teórico e que na prática poderá variar: 0,5V < Si < 0,75 V 0,2V < Ge <0,3 V 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 4 2

3 1-REVISÃO: CURVA CARACTERÍSTICA Curva característica do diodo ID = f(vd) I D (A) Is corrente de saturação. Resultante do movimento dos portadores minoritários. Is Tensão de Corte: Corrente direta desprezível Vc Vj V D (V) Polarização reversa Polarização direta 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 5 2-CONTEXTUALIZAÇÃO Um modelo científico é uma idealização simplificada de um sistema que possui maior complexidade, mas que ainda assim supostamente reproduz na sua essência o comportamento do sistema complexo que é o alvo de estudo e entendimento (Wikipédia). Os modelos podem ser classificados como abstratos, conceitual, gráfico, matemático entre outros. Para a análise do diodo semicondutor, será estudado: MODELO ELÉTRICO MODELO MATEMÁTICO A simplificação utiliza estruturas elétricas elementares e de formulação conhecidas: resistor, capacitor e indutor, chave, fonte dependente ou independente,... I D I S V D VT ( e 1) 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 6 3

4 3-MODELO ELÉTRICO DO DIODO O diodo semicondutor pode ser representado através de 3 modelos: 1) Ideal ID 2) Simplificado ID 3) Linear ID VD Vj VD Vj VD 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 7 Boylestad seções: 1.7 e 2.3 a MODELO IDEAL DO DIODO Considera-se o diodo unicamente como uma chave eletrônica que pode assumir as condições: Aberta polarização reversa - A + K Chave eletrônica aberta: VD=Vfonte ID=0 A Fechada polarização direta K + - A K ID Chave eletrônica fechada: VD 0 ID limitada pelas condições do circuito Curva característica Id=f(Vd) ID VD Polarização Polarização reversa direta 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 8 4

5 3-MODELO SIMPLIFICADO DO DIODO Considera-se o diodo como uma chave eletrônica que pode assumir as condições aberta ou fechada em série com uma fonte de tensão cujo valor corresponde ao valor da tensão da barreira de potencial, no caso Vj. Outras possíveis designações para Vj: Vth ou VT(threshold), V (limiar), VD (diodo). Curva característica: Id=f(Vd) ID A K DIODO IDEAL Vj=0,7V para Si Vj=0,3V para Ge Vj VD 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 9 3-MODELO LINEAR DO DIODO Além do próprio diodo, considera-se a tensão da barreira de potencial Vj, V T e a resistência AC média - rav A inserção da resistência modela o comportamento ôhmico de um resistor. Curva característica: Id=f(Vd) ID A K DIODO IDEAL Vj VD 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 10 5

6 4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA DIODO REAL RESISTÊNCIA DC OU ESTÁTICA A natureza da tensão aplicada ao diodo (forma de onda), define um ponto de operação (Q). Esse por sua vez introduz níveis de resistência distintos para cada tipo de sinal aplicado aos seus terminais. 1. Resistência DC ou Estática (R D ) Quando o diodo está submetido a uma fonte de tensão contínua CC (DC) R DC = VD / ID 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 11 4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA DIODO REAL RESISTÊNCIA AC OU DINÂMICA (rd) O diodo é submetido a composição de dois sinais de tensão: CC e CA. A fonte CC determina um ponto específico de operação (Q), nele aplica-se um sinal senoidal normalmente de pequena intensidade. vd(t) = A sen (wt) Vd rd Id Derivando a equação: k. Vd Id Is( e chega-se a: d TK 26mV rd I 1) 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 12 6

7 4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA DIODO REAL RESISTÊNCIA AC média(rav) Quando o sinal senoidal é de grande amplitude, ou seja o diodo está submetido a uma CA de grande amplitude, cujos limites de operação estão claramente definidos. r av Vd I d pt. a pt. 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 13 4-QUADRO RESUMO Tipo Equação Características Determinação Gráfica Modelo linear do diodo 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 14 7

8 Exemplo 3.5 do Sedra Determine os valores da corrente ID e da tensão VD para o circuito. Dados: V DD =5V, R=Ω, V D0 =0,65V e r D =20Ω 1) Identificar e relacionar os dados conforme a nomenclatura que conhecemos: V D tensão nos terminais do diodo V D0 tensão da camada de depleção diodo Vj r D resistência estática do diodo 2) Cálculo de I D e V D : I D = V DD V D0 R + r D I D = 5 0,65 + 0,02k I D = 4,26mA LKT: -V D + V RD +V D0 =0 V D = (I D. r D ) + V D0 V D = 4,26m. 0,02k + 0,65 V D = 0,735V 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 15 5-DIODOS EM SÉRIE E EM PARALELO Para a análise e solução de circuitos contendo diodos deve-se: 1. Usar um dos modelos de representação do diodo: ideal, simplificado ou linear; 2. Usar como padrão o valor da tensão de junção, sendo: Si= 0,7V e Ge = 0,3V; 3. Verificar o tipo de polarização do diodo: direta ou reversa e com isso substituir o diodo pela chave eletrônica correspondente; 4. Empregar as técnicas de solução de circuitos para o cálculo das grandezas desejadas. Exemplo 1: Como o diodo está polarizado? Adotar modelo ideal. a) b) c) Diretamente: chave eletrônica fechada Reversamente: chave eletrônica aberta Diretamente: chave 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo eletrônica fechada 16 8

9 5-DIODOS EM SÉRIE Exemplo 2 (ex. 2.6 Boylestad): Calcular VD, VR e ID. Adotar modelo simplificado. Diodo modelo simplificado VD LKT: +E-VD - VR=0 E 8V 0,7V R 2k2 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 17 5-DIODOS EM SÉRIE Exemplo 3 (ex. 2.9 Boylestad): Calcular V0 e ID. Adotar modelo simplificado. LKT: +E-VT1-VT2 - VR=0 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 18 9

10 5-DIODOS EM PARALELO Exemplo 4 (ex Boylestad): Calcular V0, I1, ID1 e ID2. Adotar modelo simplificado. Vo em // com D1 e D2, portanto: Para determinar a corrente em cada diodo, considera-se que os dois diodos são idênticos: 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 19 5-DIODOS EM PARALELO Exemplo 5 (ex Boylestad): Calcular V0. Adotar modelo simplificado. Os diodos são de materiais diferentes. Como a tensão de junção do diodo de Ge é menor que a de Si, isso implica em que ela é primeiramente alcançada, resultando na condução do diodo de Ge. 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 20 10

11 6-EXERCÍOS PROPOSTOS 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 21 6-EXERCÍCIO PROPOSTO AVULSO 1 1) Determinar a corrente Id. Admitir modelo simplificado. Id=? 2mA 4V a) Determinar se o diodo conduz? Para isso utiliza-se o Teorema de Thèvenin: 1)Retira-se o elemento de estudo; 2)Calcula-se a tensão de Th Vth; 3)Calcula-se a resistência de Th Rth. a1) A B 4V 2mA a2) Vth = VAB A fonte de corrente IMPÕE no circuito a circulação de uma corrente de 2mA que percorre R. A tensão VAB é calculada: 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 22 11

12 6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV1 (cont) a2) Vt h A B 4V 2mA - Vth = VAB A fonte de corrente IMPÕE no circuito a circulação de uma corrente de 2mA que percorre R. A tensão VAB= Vth é calculada: +Vth + V 4 = 0 + Vth = 4 V a3)rth Vth = 4 (2m. ) Vth = 2V 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 23 4V FC circuito aberto FT curto circuito Rth = Ω 2mA 6-EXERCÍCIOS PROPOSTOS (cont) b) Redesenhando o circuito: Id=? 4V 2mA Id=? 2V c1)modelo ideal: Id = 2/ = 2mA c2)modelo simplificado Si: Id = 2-0,7/ = 1,3mA 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 24 12

13 Rth Rth 6-EXERCÍCIO PROPOSTO AVULSO 2 2) Determinar V1 e V2: V1 V1 V2 V2 a) Vth 8k 2k Vth Re 2.1) Verificar o estado do diodo. Aplicando o Teorema de Thèvenin: Vth Re= 8k//2k = 8k.2k/10k Re 1,6k ohms 8k 2k 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 25 6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV 2 (CONT) b) Vth + - Vth Re=1,6k c) Rth Vth Re=1,6k Vth= 10m. 1,6k Vth= 16V Rth= 1,6k+ Rth= 2,6kohms Potencial de Vth?? 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 26 13

14 6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV 2 (CONT) 2.2) Redesenhando o V1 circuito: V2 2,6k 8k 2k 16V Vth Vth Diodo polarizado REVERSAMENTE Rth 3)Resposta Rth V1 =16V V2 =0V 10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 27 14