Circuitos com Diodos. Eletrônica I Alexandre Almeida Eletrônica dos Semicondutores.

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1 Circuitos com Diodos Eletrônica I Alexandre Almeida Eletrônica dos Semicondutores.

2 O TRANSFORMADOR DE ENTRADA As companhias de energia elétrica no Brasil fornecem.umatensão senoidal monofásica de 127V rms, ou, dependendo da região, de 220V rmscom uma freqüência de 60 Hz. Na realidade, a tensão nas tomadas de alimentação varia de 139,7V rmsa 114,3V rms, para o caso de 127 V rms, e de 242 V rmsa 198 V rms, para o caso de 220 V rms(dependendo da hora, da localidade e de outros fatores). A relação entre o valor rmse o valor máximo da senóideé dada por Essa equação diz que a tensão rmsé igual a 70,7%do valor máximo

3 Relações do Transformador

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6 O RETIFICADOR DE MEIA ONDA Por exemplo, a Figura mostra um transformador com uma relação de espiras de 5:1.Atensão de pico no primário é

7 Valor ccou Valor Médio Ligando-se um voltímetro cc no resistor de carga RL, temos uma tensão cc de Vp/π

8 O RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TOMADA CENTRAL (CENTER TAP) A Figura 4.6 mostra um retificador de onda completa. Observe a tomada central (centertap) no enrolamento secundário. Por causa dessa tomada central, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tensão do secundário, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tensão do secundário.

9 Em outras palavras, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 conduz durante o semicic1o negativo. Por isso, a corrente retificada na carga circula durante os dois semiciclos. Além disso, a corrente que circula na carga é unidirecional. Por exemplo, a Figura mostra um transformador com uma relação de espiras de 5:1.Atensão de pico no primário é ainda igual a

10 A Figura mostra a tensão na carga. Esse tipo de forma de onda é chamado sinal de onda completa. Ele é equivalente ao inverso dos semicic1os negativos da onda senoidal para obtermos semicic1os positivos. Por causa da lei de Ohm, a corrente na carga é um sinal de onda completa com um valor de pico de Sinal em configuração de Onda-Completa.

11 O Valor cc ou Médio Se um voltímetro cc fosse conectado à resistência de carga da Figura, ele indicaria uma tensão cc de 2Vp/π,que é equivalente a onde Vpé o valor de pico do sinal de meia onda na resistência de carga. Por exemplo, se a tensão de pico fosse 17 V, o voltímetro cc indicaria A Freqüência de Saída

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14 O RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE Um retificador de onda completa em ponte. Se usarmos quatro diodos em vez de dois, poderemos eliminar a necessidade de uma tomada central aterrada. A vantagem de não usarmos uma tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificador de onda completa com tomada central Durante o semiciclo positivo da tensão de linha, os diodos D2 e D3 conduzem, o que produz um semiciclo positivo no resistor de carga. Durante o semiciclo negativo da tensão de linha, os diodos DI e D4 conduzem, produzindo outro semiciclo positivo no resistor de carga. O resultado é um sinal de onda completa no resistor de carga.

15 Configuração do retificador de onda completa em ponte Por exemplo, a Figura mostra um transformador com uma relação de espiras de 5:1. A tensão de pico no primário é igual a Continua...

16 Como a tensão total do secundário está aplicada aos diodos em condução que estão em série com o resistor de carga, a tensão na carga tem um valor ideal de pico de 34 V, que é o dobro do retificador em onda completa discutido antes.

17 Existe um fator novo que deve ser considerado quando estivermos usando a segunda aproximação com um retificador em ponte: existem dois diodos em série em condução com o resistor de carga durante cada semiciclo. Logo, devemos subtrair a queda de dois diodos, em vez de um apenas.

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19 O FILTRO COM CAPACITOR A tensão de saída de um retificador aplicada numa carga é pulsante em vez de ser estável. Por exemplo, observe a Figura. Durante um ciclo completo na saída, a tensão na carga aumenta a partir de zero até um valor de pico e depois diminui de volta a zero. Esse não é o tipo de tensão ccde que a maioria dos circuitos eletrônicos precisa. É necessária uma tensão estável ou constante similar à produzida por uma bateria. Para obter esse tipo de tensão retificada na carga, precisamos de filtro.

20 Filtrando o Sinal de Meia Onda e Onda Completa (a) Filtrando o sinal de meia onda; (b) filtrando o sinal de onda completa. Nos retificadores sem filtro discutidos anteriormente, cada diodo conduzia a cada semiciclo. Nos retificadores com filtro que estamos discutindo agora, cada diodo conduz por um tempo muito menor que um semiciclo. Quando a chave de alimentação é ligada pela primeira vez, o capacitor está descarregado. Idealmente, ele leva apenas um quarto de ciclo para carregar até o valor de pico do secundário. Após essa carga inicial, o diodo conduz por breves momentos, próximo do valor de pico, e fica cortado durante o resto do ciclo. Em termos de graus, o diodo conduz por apenas alguns graus durante cada ciclo.

21 Tensão de Ripple Esta é a fórmula para a tensão de ondulação expressa em termos de valores do circuito medidos facilmente: A prova da Equação é muito extensa para ser mostrada neste livro. Mas a dedução supõe que a tensão de ondulação de pico a pico é menor que 20% da tensão da carga. Além desse ponto, você não pode usar a Equação sem que seja encontrado um alto valor de erro. Mas como já foi discutido anteriormente, o principal objetivo do filtro com capacitor é produzir uma tensão cc estável ou constante. Por essa razão, muitos projetistas escolhem deliberadamente valores de circuito que mantenham a tensão de ondulação na tensão da carga abaixo de 10%.

22 Dobrador de Tensão de Meia Onda

23 No pico do semiciclo negativo, D1 fica diretamente polarizado e D2 reversamente polarizado. Idealmente, isso carrega o capacitor C1 com tensão de pico, Vpcom a polaridade mostrada na Figura (b).no pico do semiciclo positivo, D1 fica reversamentepolarizado e D2, diretamente polarizado. Como a fonte cae C1estão em série, C2 tentará carregar até uma tensão de 2Vp. Depois de vários ciclos, a tensão em C2 será igual a 2Vp, conforme mostrado na Figura (c). Redesenhando o circuito e conectando a resistência de carga, obtemos a Figura (d). Agora, está claro que o capacitor descarrega pelo resistor de carga. Enquanto RL for de alto valor, a tensão de saída será igual a 2Vp (idealmente). Isto é, desde que a carga seja de baixo valor, ou alta resistência (uma alta constante de tempo), a tensão de saída será o dobro da tensão de pico da entrada. Essa tensão de entrada vem do enrolamento secundário de um transformador.

24 Dobrador de Tensão de Onda Completa Durante o semiciclopositivo da fonte ca, o capacitor de cima carrega até o valor de pico com a polaridade mostrada. No próximo semiciclo, o capacitor de baixo carrega até o valor de pico com a polaridade mostrada. Para cargas leves, a tensão final é de aproximadamente 2Vp.

25 O circuito é chamado dobrador de tensão de onda completa porque cada um dos capacitores de saída é carregado durante cada semiciclo. Dizendo isso de modo diferente, a saída da ondulação é de 120 Hz. Essa freqüência de ondulação é uma vantagem porque isso facilita a operação do filtro. Uma outra vantagem do dobrador de onda completa é que a tensão reversa nominal, PIV, dos diodos pode ser apenas maior que Vp. A desvantagem do dobrador de onda completa é quanto à falta de um ponto comum entre a entrada e a saída. Se aterrarmos o terminal do resistor de carga na Figura, a fonte fica em flutuação. No dobrador de meia onda da Figura (d), o aterramento do resistor de carga é um ponto comum com um dos terminais da fonte, que é uma vantagem em certas aplicações.

26 Triplicador e Quadruplicador de Tensão (a) O triplicador de tensão; (b) o quadriplicador de tensão.

27 LlMITADOR (CEIFADOR) Os diodos usados nas fontes de alimentação são diodos retificadores: aqueles que têm uma potência nominal acima de 0,5We são otimizados para uso em 60 Hz. No restante deste capítulo, usaremos diodos de pequeno sinal, pois eles têm baixa potência, abaixo de 0,5W (com corrente da ordem de miliamperesaté amperes), e são usados tipicamente em freqüências acima de 60 Hz.

28 Limitador Positivo ou Ceifador Positivo Um circuito que corta uma parte da tensão positiva do sinal Durante o semiciclo negativo, o diodo está reversamente polarizado e aparece como uma chave aberta. Na maioria dos limita dores, o resistor de carga RL é pelo menos 100vezes maior que o resistor em série, R. Por essa razão, a fonte é quase ideal e o semicic1onegativo aparece na saída. Se você inverter a polaridade do diodo na Figura 4.20, obterá um limitador negativo que corta os semicic1os negativos.

29 Limitador Polarizado Com o limitador polarizado da Figura 4.21, você pode mover o nível de ceifamento para um valor V + 0,7. Você pode combinar limitadores positivos e negativos, conforme mostrado na Figura. O diodo 01 conduz quando a tensão na entrada excede a VI + 0,7, esse é o nível de ceifamentopositivo. De modo idêntico, o diodo 02 conduz quando a entrada é mais negativa que -V2-0,7, esse é o nível de ceifamentonegativo.

30 Quando o sinal de entrada for maior, isto é, quando Vpfor muito maior que os níveis de ceifamento, o sinal de saída adquire a aparência de uma onda quadrada, como a da Figura:

31 DETECTORDEPICOA PICO Se você ligar um grampeador cc e um detector de pico em cascata (o mesmo retificador de pico), obterá um detector de pico a pico(vejaa Figura 4.25).A senóide de entrada é positivamente grampeada, logo, a entrada do detector de pico tem um valor igual a 2Vp. É por isso que a saída do detector de pico é igual a uma tensão média de 2Vp.

32 O circuito é parecido com o dobrador de tensão de meia onda, exceto que a entrada não precisa ser obrigatoriamente senoidal. Por exemplo, a entrada pode ter uma forma de onda triangular que varia de -20 a +50 V. Como sempre, a constante de tempo de descarga RLC deve ser muito maior que o período do sinal de entrada. Satisfazendo essa condição, você obtém um bom funcionamento do grampeador, assim como do detector de pico. A ondulação de saída será portanto pequena.

33 O Efeito Zener Quando um diodo é fortemente dopado, a camada de depleção é muito estreita. Por isso, o campo elétrico na camada de depleção (tensão dividida por comprimento) é muito intenso. Quando a intensidade do campo atingir aproximadamente V/ cm, o campo elétrico será forte o suficiente para arrancar os elétrons de suas órbitas de valência. A geração de elétrons livres desse modo é chamada efeito Zener O efeito Zenerproduz rupturas com tensões abaixo de 4 V, enquanto o efeito avalanche requer uma tensão reversa de pelo menos 6 V. Quando a tensão de ruptura ocorre entre 4 e 6 V, ambos os efeitos podem estar presentes.

34 DIODO ZENER Os diodos de pequeno sinal e retificadores nunca operam intencionalmente na região de ruptura porque isso danifica-os. Um diodo Zeneré diferente. Ele é um diodo de silício que o fabricante otimizou para operar na região de ruptura. Algumas vezes chamado Diodo de ruptura, o diodo Zeneré o elemento principal dos reguladores de tensão, circuitos que mantêm a tensão na carga quase constante, independentemente da alta variação na tensão de linha e na resistência de carga. o diodo Zener. (a) Símbolo; (b) (b) símbolo alternativo; (c) (c) a curva do diodo.

35 Regulador Zener Zener. (a) Ideal; (b) próximo do real.

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38 Emissão de Luz Irradiante pelo Diodo. O princípio de funcionamento do diodo emissor de luz (LED) baseia-se nos níveis de energia. Com esse tipo de dispositivo, a tensão aplicada leva os elétrons aos níveis mais altos de energia. Quando eles voltam para seus níveis originais, devolvem a energia em forma de luz. Dependendo do material utilizado, a luz pode ser vermelha, verde, laranja, azul etc.

39 Diodo Emissor de Luz Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a passagem da luz. Os LEDssão diferentes. Pelo uso de elementos como o gálio, arsênico e fósforo, um fabricante pode produzir LEDsque irradiam as luzes vermelha, verde, amarela, azul, laranja ou infravermelha (luz invisível). Os LEDsque produzem irradiação de luz visível são úteis nos instrumentos, calculadoras etc....

40 A Tensão e a Corrente no LED O resistor da Figura 5.10 é o usual resistor de limitação de corrente, para evitar que a corrente exceda ao valor máximo nominal do diodo. Como o resistor tem uma tensão nodal Vsno lado esquerdo e uma tensão nodal VD no lado direito, a tensão no resistor é a diferença entre essas duas tensões. Com a lei de Ohm, a corrente em série é Para a maioria dos LEDsdisponíveis comercialmente, a queda de tensão típica é de 1,5a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA. Aqueda de tensão exata depende da corrente no LED, da cor, da tolerância etc. A não ser quando indicado o contrário, usaremos uma queda de tensão nominal de 2 V.

41 Circuitos com LED.

42 Acoplador Ótico Um acoplador ótico (também chamado isolador ótico ou isolador com acoplamento ótico) combina um LED com um fotodiodo num encapsulamento único. A Figura mostra um acoplador ótico. Ele tem um LED no lado da entrada e um fotodiodo no lado da saída. A fonte de tensão da esquerda e o resistor em série estabelecem uma corrente através do LED. Portanto, a luz do LED incide sobre o fotodiodo, e isso estabelece uma corrente reversa no circuito de saída. Essa corrente reversa produz uma tensão no resistor de saída. A tensão na saída é igual à tensão da fonte de saída menos a tensão no resistor.

43 Quando a tensão na entrada varia, a intensidade de luz também varia. Isso significa que a tensão na saída varia segundo a variação da tensão na entrada. É por isso que a combinação de um LED com um fotodiodo é chamada acoplador ótico. Esse dispositivo pode acoplar um sinal de entrada para um circuito de saída. A principal vantagem de um acoplador ótico é o isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e de saída.

44 DIODO SCHOTTKY Em baixas freqüências, um diodo comum pode entrar em corte facilmente quando a polarização muda de direta para reversa. Mas, com o aumento da freqüência, o diodo atinge um ponto em que ele já não pode entrar em corte com rapidez suficiente para evitar uma corrente apreciável durante o período do semiciclo reverso. Esse efeito é conhecido como armazenamento de carga. Isso limita o uso dos diodos retificadores comuns em altas freqüências. A solução é um dispositivo de aplicação especial chamado diodo Schottky. Esse tipo de diodo não tem camada de depleção, o que elimina as cargas armazenadas na junção. A falta de cargas armazenadas significa que o diodo pode entrar em corte mais rápido que um diodo comum. De fato, um diodo Schottky pode retificar facilmente freqüências acima de 300 MHz. Um ponto final: um diodo Schottky, quando diretamente polarizado, apresenta uma barreira de potencial de apenas 0,25 V. Portanto, você pode notar o uso de diodos Schottky em pontes retificadoras de baixa tensão, porque você só subtrai 0,25V de cada diodo, em vez de 0,7 V.

45 LÓGICA A DIODO PORTA AND / E PORTA OR / OU

46 Referência e Sugestão de leitura: Eletrônica, 4ª edição: Malvino Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 6ª edição: Robert Boylestad e Louis Nasheslky Princípios e Aplicações de Sistemas Digitais, Tocci e Widmer

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