ENG04447 Eletrônica I

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1 ENG04447 Eletrônica Diodos 1 DSPOSTVOS ELETRÔNCOS ATVOS (amplificação) Dispositivos Eletrônicos Elementares Transistor de Junção Bipolar BJT Transistor de Efeito de Campo FET NPN PNP de Junção JFET de Porta solada MOSFET Canal N Canal P PASSVOS (relação xv) Lineares Não-Lineares Não-reativo: R Reativos: L, C Diodos Termistores Varistores... Retificador Zener LED Fotodiodo PN Diodo Tunel Varicap

2 Diodo Diodo Semicondutor Válvula Unidirecional DODO CORTADO DODO CONDUZNDO 3 Diodo deal Curva do Diodo deal Símbolo do Diodo CORTE CONDUÇÃO Circuito Equivalente Comportamento NÃO Linear 4 2

3 Diodo deal Modos de Operação Modo de polarização DRETA CONDUÇÃO Modo de polarização REVERSA CORTE 5 Circuito Retificador Diodo deal Retificador Modo Condução Modo Corte 6 3

4 Diodo deal Retificador Funcionamento Polarização Direta Polarização Reversa 7 Diodo deal Retificador Funcionamento Curva de Transferência Reposta no Tempo v o X v V o = 0 V o = V O procedimento de análise envolve a descoberta dos pontos em que o diodo PASSA da condução ao corte e vice-versa. Descobertos estes pontos, APLCA-SE O MODELO ELÉTRCO DO DODO EM CADA UMA DAS REGÕES DE OPERAÇÃO. 8 4

5 Diodo deal Retificador Funcionamento Qual a tensão sobre o diodo? 9 Exercício 1 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de e V. 10 5

6 Aplicação Carregador de Bateria O circuito abaixo pode ser empregado como um carregador de bateria. Determine: a fração de tempo em que o diodo conduz; o pico de corrente no diodo. 11 Exercício 2 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de e V. 12 6

7 Exercício 3 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de e V. 13 Aplicação Portas Lógicas Um conjunto de diodos pode ser utilizado para implementar portas lógicas simples. Porta OU Porta E 14 7

8 ENG04447 Eletrônica Diodo Real 15 Diodo de Silício Curva xv Curva Real Curva deal CONDUÇÃO DRETA CORTE 16 8

9 Diodo de Silício Curva xv Curva Real CONDUÇÃO DRETA Curva deal CORTE Ruptura! CONDUÇÃO REVERSA 17 Eq. diodo: Direta: D D Diodo de Silício Curva xv VD nvt 1 S e S e VD nvt p/ V D > 100mV kt V T n: 1 a 2 q Reversa: D S ( corrente de fuga ) p/ V D < 100mV Constante de Boltzmann k = 1,38x10-23 J/K Carga do elétron q = 1,6x10-19 C Para: T = 20C, V T = 25,2 mv 25 mv T = 27C, V T = 25,9 mv 26 mv 18 9

10 Diodo de Silício Curva xv Dependência com a Temperatura Este gráfico ilustra a dependência da temperatura do diodo em polarização direta. Para uma corrente constante, tensão V D cai aproximadamente 2mV para cada 1C de incremento de temperatura. 19 Junção Semicondutora Junção Semicondutora Estrutura simplificada de um diodo de junção Existe uma região de contato (junção) de dois materiais com propriedades elétricas diferentes 20 10

11 Tabela Periódica CONDUTORES SEMCONDUTORES SOLANTES 21 Estrutura Cristalina - Silício O Si é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre Como possui 4 elétrons no último orbital, faz parte do grupo V e permite 4 ligações covalentes Seu cristal tem estrutura regular, com disposição tetraédrica (cada átomo é ligado a outros 4 átomos) 22 11

12 Condutores, solantes e Semicondutores Os níveis de energia que estão associados aos orbitais dos elétrons no átomo são quânticos, podendo apenas assumir valores discretos. Quando diversos átomos se aproximam e se ligam, formando um cristal, seus orbitais mais externos interagem, resultando em uma grande quantidade de novos níveis de energia possíveis. Os níveis de menor energia são devido aos orbitais mais internos, que pertencem individualmente a cada átomo, compondo o que se chama banda de valência do cristal; os elétrons que localizados nestes níveis estão presos ao respectivo átomo. Os níveis de maior energia são devido aos orbitais mais afastados dos núcleos dos átomos e definem uma região compartilhada por todos os átomos do cristal, chamada banda de condução ; os elétrons localizados nestes níveis estão livres e podem fluir entre os átomos do cristal. 23 Condutores, solantes e Semicondutores Um material é dito CONDUTOR, quando após preenchida a banda de valência, sobram elétrons nos níveis da banda de condução, os quais são livres e se movimentam se submetidos a um campo elétrico (tensão). Um material é dito SOLANTE, quando somente possui elétrons nos níveis da banda de valência (a banda de condução está vazia), os quais estão presos a cada átomo e não conseguem se movimentar. Caso, em um material isolante, a distância energética entre as bandas de valência e condução seja pequena (poucos ev), alguns elétrons da banda de valência que receberem energia externa (calor, luz, etc) podem conseguir ocupar momentaneamente a banda de condução, ficando livres e podendo se movimentar no material, o que determina uma certa condutividade elétrica. Estes materiais são chamados SEMCONDUTORES. A zero Kelvin e sem incidência de qualquer forma de energia externa, um semicondutor se comporta como isolante (condutividade zero)

13 Condutores, solantes e Semicondutores 25 Estrutura Cristalina Silício ntrínseco Os átomos são mantidos unidos através do compartilhamento de elétrons, em ligações covalentes Os elétrons presos a estas ligações não estão livres Cada átomo possui 4 elétrons no último orbital 26 13

14 Estrutura Cristalina Silício ntrínseco À temperatura ambiente, algumas ligações covalentes rompem por ação térmica (ionização) Há geração momentânea de portadores disponíveis para condução (elétrons e lacunas livres) Como os portadores são gerados termicamente, sua condutividade AUMENTA com a temperatura O Si é chamado de semicondutor porque sua No Si se encontra cerca de pares elétron-lacuna livres, gerados termicamente a 300K (27 ºC). condutividade está entre a dos condutores e a dos isolantes. 27 Semicondutor Extrínseco Tipo N Criado através de contaminação controlada (dopagem) Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário) nserção de impurezas doadoras do Grupo V cria o silício Tipo N Fósforo (P) e Arsênico (As) possuem 5 (4+1) elétrons no último orbital 28 14

15 Semicondutor Extrínseco Tipo P nserção de impurezas aceitadoras do Grupo produz silício Tipo P Boro (B) e Alumínio (Al) possuem 3 (4-1) elétrons no último orbital 29 Mecanismos de Condução e a Corrente Elétrica Corrente elétrica é o deslocamento de portadores de carga elétrica (elétrons livres): = ΔQ/Δt Existem dois mecanismos que provocam movimentação de portadores: Difusão: agitação térmica Deriva: campo elétrico dif qav t dn dx der q: carga do elétron A: área da seção considerada μ: mobilidade dos portadores n: concentração de portadores (cargas livres) V: tensão externa aplicada Vt: potencial térmico (kt/q = 27ºC) qan dv dx 30 15

16 Concentrações de portadores Silício intrínseco cristalino: 5x10 22 átomos/cm portadores/cm 300 K (27 ºC) por geração térmica (portadores minoritários) Concentração de dopantes (Si extrínseco): em torno de a átomos/cm 3 (cada átomo dopante gera um portador livre majoritário) o Si é considerado degenerado quando dopado acima de átomos/cm 3 31 Junção pn em Aberto Junção pn em Circuito Aberto Distribuição do potencial Região de Depleção 32 16

17 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Reversa A capacitância de depleção é modulada através de um potencial aplicado reversamente: Varicap, utilizado na sintonia de circuitos receptores de RF. 33 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Direta 34 17

18 ENG04447 Eletrônica Diodo Real Análise de Circuitos 35 Solução Analítica V D V DD R D D S e VD nv T Sistema de equações NÃO Lineares 36 18

19 Solução Gráfica D V DD V R D Conceito de Ponto de Operação Q 37 Modelo Simplificado 2 parâmetros Aproximação da curva exponencial por segmentos de reta

20 Modelo Simplificado 2 parâmetros 39 Solução Analítica com o Modelo Solução Analítica com Modelo V D +r D : D V V R r DD D0 D V D VD0 r D D 40 20

21 Modelo Simplificado 1 parâmetro 41 Modelo Simplificado 1 parâmetro Diodo de Junção pn deal 42 21

22 ENG04447 Eletrônica Diodos Operação sob Sinal 43 Modelo de Pequenos Sinais CC A fonte V D define o valor médio das tensões e correntes (Ponto Quiescente Q) Análise CC A fonte v d é uma variação no entorno de Q Análise CA CA 44 22

23 Análise Polarização + Sinal Polarização CC Pequenos Sinais - CA V v D ( t) V ( t) V CC D v ( t) v D s ( t) r d v i D D i D nv T i ln D S Q nv T DQ 45 Exemplo O circuito ao lado é utilizado como referência de tensão de cerca de 2,1V. Queremos determinar o comportamento deste regulador de tensão para: Uma variação de 10% na tensão da fonte A ligação de um resistor de carga de 1kΩ Suponha n =

24 Diodo em Polarização Direta Curva Real Curva com r d Modelo CC 47 Modelo deal Diodo em Polarização Direta Modelo de Pequenos Sinais 48 24

25 ENG04447 Eletrônica Diodos Retificadores Fontes de Alimentação 49 Fonte Alimentação Diagrama em Blocos 50 25

26 Retificador Retificador de Meia Onda Circuito Equivalente Curva de Transferência Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: tensão reversa nos diodos igual ao valor de pico de Vs 51 Retificador de Onda Completa tap central Formas de Onda de Entrada e Saída Curva de Transferência Obs: quando reversamente polarizado, cada diodo terá de suportar uma tensão máxima de até 2xVs_pico-V D 52 26

27 Retificador de Onda Completa ponte de diodos Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: tensão reversa nos diodos igual ao valor de pico de Vs 53 Filtro sem carga O CAPACTOR é carregado através do diodo, armazenando energia (carga elétrica). Após carregado, não há caminho de descarga, e a tensão no capacitor se mantém constante

28 Filtro com carga 55 Aproximação para Projeto do Filtro v C 1 LT T= 16,7ms p/ ½ onda em 60Hz icdt C T= 8,3ms p/ onda completa em 60Hz C Vr 56 28

29 Retificador de onda completa com capacitor-filtro: simulações 57 Escolha dos Diodos Especificação do Diodo (ex. 1N400X): Corrente média máxima ( FAV ): corrente direta média que o diodo suporta em uso contínuo Corrente de pico repetitiva máxima ( FRM ): corrente direta de pico que o diodo suporta repetidamente em uso e está relacionada aos ciclos de recarga do capacitor Corrente de pico não-repetitiva máxima ( FSM ): corrente direta de pico que o diodo suporta sem repetição (ou com repetição espaçada) e está relacionada ao ciclos de carga completa do capacitor, que ocorre quando a energia é ligada 58 29

30 ENG04447 Eletrônica Diodo Zener e Reguladores de Tensão 59 Símbolo Limites de Operação Z max Z min P V Z Z nom 0,1 Z max Diodo Zener Curva xv Característica Os diodos Zener operam na região de ruptura reversa Vz < 5V Efeito Zener (Coef. Térmico negativo) Vz > 5V Efeito Avalanche (Coef. Térmico positivo) 60 30

31 Modelo do Diodo Zener polarização reversa Modelo Símbolo V Z Eq. de Modelo VZ 0 r z Z 61 Manual da Série BZX79 Philips 62 31

32 Regulador Paralelo Com Zener O diodo Zener do circuito tem V z = r z = 20Ω ZK = 0,2mA ( Zmin ) V Z VZ 0 r z Z 63 Regulador de Tensão Reguladores para Fontes de Alimentação Lineares Regulador Série (ex.: 7805, LM319) Regulador Paralelo (ex: zener, TL431) Chaveados Rede AC nterruptor e Proteções Transformador Retificador Filtros REGULADOR DE TENSÃO Carga 64 32

33 Regulador de Tensão Função Estabilizar a tensão de saída (fornecida à carga) contra: Variações na tensão da rede AC (flutuações) Variações de consumo da carga ( L ) ripple outras perturbações 65 Série Tipos de reguladores lineares O elemento de regulação encontra-se em série com a carga (regulação em tensão) A queda de tensão sobre o regulador é ajustada continuamente de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF Rede AC Transformador + Retificador + Filtros F + V F - Regulador + V L - L Carga 66 33

34 Tipos de reguladores lineares Paralelo O elemento de regulação encontra-se em paralelo com a carga (regulação em corrente) A corrente de regulação é convertida em queda de tensão por uma impedância (Z); esta corrente é continuamente ajustada de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF Rede AC Transformador + Retificador + Filtros F + V F - Z Regulador + V L - L Carga 67 Projeto: Regulador de Tensão + V F F R Regulador Dz Z + V Z + V L L R L O regulador de tensão paralelo com zener é projetado através do dimensionamento de seus componentes, ou: 1)Diodo Zener: definição do seu valor nominal de tensão e potência; outros parâmetros podem ser dimensionados, como sua estabilidade térmica, resistência dinâmica, etc. 2)Resistor Série: definição do seu valor nominal e potência. Z Corrente no Zener: V F V R Znom L Limites da corrente no Zener: P Z Z max Z min 0, 1 Z max VZ nom 68 34

35 Projeto: Regulador de Tensão + V F F R Regulador Dz Z + V Z + V L L R L Condições a serem satisfeitas 1)Regulação Mínima: quando a tensão V F for mínima e a carga R L consomir a máxima corrente, deve sobrar para o Zener a mínima corrente que garante boa regulação ( Zmin ). Assim: Z min V F min V R max Znom Lmax R max V F min L max V Znom Z min 69 Projeto: Regulador de Tensão + V F F Z max R V Regulador Dz F max Z + V Z V R min + V L Znom L R L Lmin Condições a serem satisfeitas 2)Segurança do Zener: quando tensão V F for máxima e a carga R L consomir a mínima corrente, a corrente de Zener não deve ultrapassar o limite máximo permitido, para que o Zener não seja destruído ( Zmax ). Assim: R min V F max L min V Znom Z max 70 35

36 Projeto: Regulador de Tensão Assim, obtém-se através da especificação uma faixa de valores para o projeto de R. Deve-se selecionar um valor comercial para R, considerando-se que: R próximo de R max reduz a corrente no zener, aumentando o rendimento e reduzindo a regulação (maior r z ); R próximo de R min aumenta a corrente no zener, reduzindo o rendimento e aumentando a regulação (menor r z ); O projeto deve resultar em Rmax R min Caso contrário, deve-se alterar alguma definição já feita, como a escolha da potência do zener. R R max min V V F min L max F max L min V V Znom Z min Znom Z max 71 Especificação de Reguladores Normais V Lnom Corrente de saída máxima e mínima (Lmax e Lmin) Variação % de V F Outras Valor nominal de V F (trafo + filtro) Potência máxima do Zener Regulação de V L Rendimento: η=p L /P 72 36

37 ENG04447 Eletrônica Diodos Circuitos Limitadores e Conformadores 73 Circuitos Limitadores v i v o 74 37

38 Circuitos Limitadores Restringir a excursão de um sinal dentro de certos limites limite superior L+ limite inferior L- ganho K (faixa não limitada) 75 Circuitos Limitadores Limitador deal Limitador Real (uso de diodos) 76 38

39 Circuitos Limitadores exemplos Limite superior Limite inferior 77 Circuitos Limitadores exemplos Dois limites Ajuste do limite 78 39

40 Circuitos Limitadores exemplos Fixação de limites através de diodo zener 79 Circuitos Conformadores Alteram a forma de um sinal, através da definição de uma função entrada-saída nãolinear e arbitrária v o inclinação 2:1 8,85V 5,7V -5,7V 5,7V 12V v i inclinação 1:

41 Circuitos Conformadores exemplo Gerador de Funções: ondas retangular, triangular e senoidal ntegrador dt v R Comparador vo vi Conformador vo vi Retangular v R Triangular v T Senoidal v S 81 Circuitos Conformadores exemplo Conformador senoidal simples: cada quadrante da senóide é aproximado através de 3 segmentos de reta os dois pontos de transição entre os 3 segmentos são determinados pelas tensões dos zeners funciona para os semi-ciclos positivo e negativo necessita de um sinal triangular com 10Vp R=1k + D Z1 D Z3 + v i 3V3 D Z2 5V6 D Z4 v o R 1 =2,7k R 2 =

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