Disciplina de Eletrónica I

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1 Disciplina de Eletrónica I Prof. Dr. Baldo Luque Universidade Federal do Acre bluque@gmail.com Julho 2016 Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

2 Plano de Aula 1 Diodos 2 Transistores Bipolares de Junção - TBJ 3 Transistores de Efeito de campo - FETs 4 Resposta em Frequência 5 Projeto - Fonte automática de tensão regulável Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

3 Plano de Aula 1 Diodos 2 Transistores Bipolares de Junção - TBJ 3 Transistores de Efeito de campo - FETs 4 Resposta em Frequência 5 Projeto - Fonte automática de tensão regulável Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

4 Diodos Significa "Dois eletrodos". Dispositivo eletrônico não lineal que em determinadas condições de operação permite a passagem da corrente, (estado ligado) e em outras condições bloqueia a condução da mesma (estado desligado). Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

5 Diodos Representação elétrica do Diodo. Chama-se dispositivo semicondutor devido à junção de dois tipos de materiais semicondutores: tipo P e tipo N. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

6 Diodos A aplicação de uma determinada tensão no diodo pode levá-lo a trabalhar em duas condições de operação: Nenhuma polarização V D = 0V, I D = 0 ma Polarização direta (Não condução) V D > 0V, I D > 0 ma Polarização reversa (Condução) V D < 0V Corrente de saturao I s em na (Não condução) Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

7 Diodos A característica física do diodo é definida como: I D = I S (e (qv D/nkT ) 1) Onde: I S : Corrente de saturação I D : Corrente de condução q: Carga do elétron K : Constante de Boltzmann = 1, 3806x10 23J/K. V D : Tensão no diodo n: Coeficiente de emissão T : Temperatura (Kelvin) Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

8 Diodos Representação gráfica: Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

9 Diodos Tipos de Diodo: Diodo comum; Diodo Zener; Diodo Schottky; Diodo Tunel; Diodo Varicap; Diodo Varistor; Diodo Emissor de luz (LED); Fotodiodo, entre outros. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

10 Diodos Curva característica do diodo ideal: Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

11 Diodos Curva característica do diodo semi ideal: Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

12 Análise de circuitos com diodos Condições de condução E > 0, 7V A corrente de diodo é igual a corrente de carga; Exemplos... I D = I R Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

13 Análise de circuitos com diodos Para E = 10V, R L = 1kΩ, Calcular I D =? Pela 2da lei de Kirchoff ( V = 0) E = V D + V R E = V D + I R R I R = E V D R como I R = I D 10 0, 7 I D = = 9, 3mA 1K I D = 9, 3mA Exercício1.- Determine a corrente de operação do circuito anterior. Sendo que: R = 100Ω, E = 12V, eodiodoé considerado ideal. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

14 Análise por reta de carga Esta técnica serve para determinar o valor exato da corrente e tensão do diodo. A interseção da reta de carga com a curva característica, determinará o ponto de operação do circuito. E = V D + I D R Se: V D = 0V I D = 0A Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

15 Análise por reta de carga Exemplo2.- Determine a reta de carga e o ponto de operação para o circuito mostrado. E = V D + I D R 10 = V D + I D (500) Para V D = 0V ; I D = I D = 20mA Para I D = 0 A; V D = E V D = 10V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

16 Análise por reta de carga Graficamente: O ponto de operação representa o comportamento tanto do diodo, quanto do circuito. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

17 Polarização reversa Exemplo3.- Determine V D, V R e I D para o circuito a seguir: E = V D + I R R V R = I R R = 0V E = V D + V R V D = E = 8V Quando o diodo é polarizado reversamente, ele se comporta como uma chave aberta. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

18 Polarização No circuito anterior, mesmo estando o diodo no estado desligado, sua tensão é significativa. Portanto: Num circuito aberto, o diodo pode ter qualquer valor de tensão entre seus terminais, mas, a corrente sempre será nula, 0 A. Agora, numa situação de polarização direta (estado ligado) produz-se uma queda de tensão de 0 V entre seus terminais, mas, a corrente é ilimitada. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

19 Configurações série/paralelo de diodos com alimentação CC Determine a tensão de saída V o. No circuito, observa-se que o diodo está polarizado diretamente. No circuito aparece uma corrente I. Alguém tem dificuldades de definir a operação do diodo? Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

20 Configurações série/paralelo de diodos com alimentação CC Vamos a simplificar o circuito. O que acontece quando temos duas pilhas em série?. As tensões se somam. Isso também é válido para as resistências. Qual é a ação do diodo em relação à fonte?. Rpta.: Ela polariza-se diretamente. E t = E 1 + E 2 ; R t = R 1 + R 2 Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

21 Configurações série/paralelo de diodos com alimentação CC Voltando à análise do circuito: E 1 + E 2 = I R 1 + I R 2 + V D I = E 1 + E 2 V D R 1 + R 2 Para E 1 = 10V, E 2 = 5V R 1 = 4, 7K Ω, R 2 = 2, 2K Ω I = 15 0, 7 3K = 2, 07mA Tendo a corrente, podemos calcular as tensões em R 1 e R 2 Agora: V 1 = I R 1 = 9, 74V V 2 = I R 2 = 4, 55V V o = I R 2 E 2 = 4, 55 5 V o = 0, 45V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

22 Configurações série/paralelo de diodos com alimentação CC Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

23 Configurações série/paralelo de diodos com alimentação CC Exemplo4.- Determine: V o, I 1, I D1, I D2 e I D3 Para E = 10V, R = 2, 2K Ω E = I 1 R + V D1 I 1 = E V D1 R 10 0, 7 I 1 = 2, 2K I 1 = 4, 23 ma Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

24 Configurações série/paralelo de diodos com alimentação CC Agora: I D2 = 0 A e I D1 = I D3 I 1 = I D1 + I D3 I D1 = I 1 2 Exercício2: Determine I, I R1 e I D2 para E = 20 V, R 1 = 2, 2K Ω R 2 = 1, 3K Ω I D1 = 2, 11 ma I D3 = 2, 11 ma V o = 0, 7 V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

25 Portas OR/AND Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

26 Circuitos com fonte de alimentação alternada Entradas senoidais: Retificação de meia onda. Graficamente observa-se: Uma onda simétrica na entrada e uma onda retificada na saída do circuito. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

27 Circuitos com fonte de alimentação alternada Agora, Como quantificar essa resposta? Pensar em dois conceitos: Valor médio e Valor RMS; No caso do Valor médio, para uma onda simétrica ela é V dc = 0; Portanto, usa-se Valor RMS para ondas simétricas e Valor médio para ondas retificadas. Matemáticamente, essas duas grandezas podem ser definidas como: V dc = 1 T T 0 f (t)dt V rms = 1 T T Importante!!! Para ondas senoidais V dc = 0eV rms = V p 2 0 f (t) 2 dt Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

28 Circuitos com fonte de alimentação alternada Resumindo O Valor médio serve para representar ou quantificar funções (contínuas) que não sejam simétricas. Em geral, aplica-se para tensões e correntes CC; O valor eficaz (rms) serve para quantificar grandezas alternadas. Em geral, tensões e correntes CA. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

29 Circuitos com fonte de alimentação alternada V i (ωt) =V p sin(ωt) Onde : V p = V m V dc = V p π = V π/2 p π [ 0 π 0 sin(ωt)d(ωt) sin(ωt)d(ωt)+ π π/2 0d(ωt)] = V p π (cos(ωt) π/2 0 ) = V p π V dc = 0, 318V p (cos(π/2) cos(0)) V dc = V p π Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

30 Circuitos com fonte de alimentação alternada Exemplo5.- Determine o valor médio da tensão de saída do circuito. V dc = 0, 318V p = 0, 318( 20) = 6, 36V comv D = 0V V dc = 0, 318( , 7) = 6, 13V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

31 Circuitos com fonte de alimentação alternada Exercício3: Do circuito anterior, calcular: V rms e I D. Exercício4: Determinar: V dc, I D1, I D2, V D1 e V D2 do circuito a seguir. Para V m = 10 V, R = 2K Ω. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

32 Retificador de onda completa Usa-se esta configuração para melhorar a resposta da tensão de saída. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

33 Circuitos com fonte de alimentação alternada Analiticamente: V dc = V p π [ π/2 0 sin(ωt)d(ωt)+ π π/2 sin(ωt)d(ωt)] = V p π [cos π/2 0 +cos π π/2] = V p π [cos(π 2 ) cos(0)+cos(π) cos(π 2 )] = V p π (cos(π) cos(0)) = V p π ( 1 1) = V p π ( 2) V dc = 2V p π = 0, 636V p V dc = 0, 636V p Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

34 Circuitos com fonte de alimentação alternada Exemplo6.- Determine a forma de onda de saída do circuito a seguir. V p = 5 V V dc = 0, 636V p = 3, 18 V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

35 Ceifadores Circuitos com diodos que tem a capacidade de cortar uma parcela do sinal de entrada, sem distorcer o restante. Temos duas categorias de ceifadores: Série Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

36 Ceifadores Paralelo Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

37 Grampeadores Circuitos com diodos que tem a capacidade de grampear o sinal para um valor de nível diferente. A excursão total da saída é igual á excursão total do sinal de entrada. V o = 0 V V i = V C = V V o = V C V i V o = 2V i V o = 2 V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

38 Diodo Zener Utilizado em circuitos reguladores. V = V Z V Z < V < 0 V V = 0, 7 V Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

39 Diodo Zener Exemplo7.- Determine V Z. Para V i e R Fixos. Remover imaginariamente o diodo Zener e obter a tensão de carga V L. V = V L = R L V i R + R L Se V V Z O diodo Zener está ligado. V L = V Z Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

40 Diodo Zener I Z = I R I L onde I L = V L R L I R = V R R = V i V Z R A potência dissipada pelo Diodo Zener é determinada por: P Z = V Z I Z Onde, a P Z deve ser menor do que a P ZM. Agora... se V < V Z V L = R L V i R + R L I Z = 0 A P Z = 0 W P ZM : Potência Zener Máxima. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

41 Diodo Zener Quando V i é fixo e R L é variável. R L = R V Z V i V Z Sabemos que V Z > V Se R L 0 V = 0 V "off" Se R L V = V i V "on" Determinar a resistência de carga máxima. Supondo que: V L = V z = R L V i R + R L R Lmin = R V Z V i V Z Qualquer valor acima de R Lmin garantirá que o diodo Zener fique no estado ligado. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

42 Diodo Zener Agora: I Lmax = V L R L = V Z R Lmin Quando o Zener está ligado V R = V i V Z sendo que: I Zmin I Lmax I Zmax I Lmin I Z = I R I L I R = V R R Como I Z é limitado pelo I ZM (I ZM Corrente máxima do Zener) R Lmax = V Z I Lmin I Lmin = I R I ZM Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

43 Diodo Zener Quando R L é fixo e V i é variável. I ZM = I R I L I Rmax = I ZM + I L V imax = I Rmax R + V Z Exercício5: Da figura, determinar: R L, I Rmax e I ZM. V L = V Z = R L V I R + R L V imin = (R L + R)V Z R L Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

44 Circuitos multiplicadores de tensão Exercício6: Determinar a tensão de saída v o do circuito mostrado. Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70

45 Circuitos multiplicadores de tensão Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1 semestre de 2016 Julho / 70