Eletrônica Diodo 01 CIN-UPPE

Transcrição

1 Eletrônica Diodo 01 CIN-UPPE

2 Diodo A natureza de uma junção p-n é que a corrente elétrica será conduzida em apenas uma direção (direção direta) no sentido da seta e não na direção contrária (reversa). Esta é a ferramenta básica para o conceito de retificação na construção de fontes de alimentação DC (Direct Corrent)(Corrente Continua)(freqüência zero), etc. Curva de operação de um díodo Polarização direta (foward) anodo catodo Tensão de joelho ruptura (breakdown) Polarização direta (reverse)

3 Diodo Características gerais O diodo é um dispositivo não linear. Abaixo de um certa tensão direta de 0.7 V (silício), apenas uma pequena corrente passa pelo dispositivo. Diferentemente de um resistor a corrente no diodo aumenta bastante quando lhe aplicamos uma tensão direta superior a 0.7V. Isto ocorre devido a barreira de depleção dos diodos. A resistência direta de um diodo retificador é, uma vez vencida a barreira de potencial, proporcional a soma das resistências das regiões p e n. r B = r p + r n (resistência ôhmica do diodo) Esta resistência alcança valores da ordem de 1 Ω.

4 Resitência no diodo Resistência estática (CC) Em um dado circuito a resistência é dada pela lei de Ohm: R = V d /I d Esta resistência ocorre quando aplicamos uma tensão dc ao circuito i d r I d V + diodo V d 20 Polarização direta (foward) _ Pontos de operação: Polarização direta: a) I d = 2 ma; V d = 0.5 V; R d = 250 Ω b) I d = 20 ma; V d = 0.7 V; R d = 35 Ω Polarização reversa: c) V d = 10V, I d =10 µa; R d = 10 M Ω ruptura (breakdown) Polarização direta (reverse) 2 V d

5 Reta de carga Reta de carga é um recurso usado para calcular o valor exato da corrente e da tensão de operação do diodo em um dado circuito. Dado o circuito e as características elétricas do diodo, encontre seu ponto de operação. i d R = 1KΩ Id(mA) 10 10V + diodo V d _ Reta de carga 0,78 10 V = Id.R+Vd Vdc (V) a) Id = 10V/ 1KΩ = 10 ma b) VR = IR.R = 9,22V

6 Diodo corrente e potência A corrente direta em um diodo deve ser controlada a fim de se evitar super aquecimento (dissipação de potência) do dispositivo e sua queima. Assim sempre é aconselhável a colocação de um resistor em série para a limitação desta corrente. i r V + _ diodo V d i = (V-V d )/r P = i.v d = i 2.r B (potência dissipada no diodo) Em diodos retificadores, em geral, o fabricante especifica esta característica em função da corrente máxima suportada pelo diodo. Exemplo: Diodo IN4001 fornece uma corrente máxima (I o ) de 1A.

7 Diodos - Modelos Modelo Ideal podemos idealizar um diodo perfeito, comparado o dispositivo retificador a uma chave mecânica. Diodo conduz com resistência zero quando o diodo está polarizado diretamente (chave fechada) Diodo não conduz com resistência infinita quando o diodo está polarizado inversamente (chave aberta) V = 0,0 V Aberto V <0 Fechado V >0 Resistência infinita

8 Diodos - modelos Na segunda aproximação consideramos um diodo como uma chave que precisa de uma tensão mínima (limiar) para seu funcionamento. V = 0.7 V Aberto V <0,7 V Fechado V >0,7 V Aberto V <0,0 V Fechado V >0,0 V

9 Diodo - modelos Numa terceira aproximação, o modelo considera também a resistência interna do diodo r B em série com uma bateria (DC). Este modelo é mais apropriado quando se trabalha com circuitos de alta precisão (resistores de precisão de valores bem baixos). V = 0,7 V (barreira de potencial) r B r B Aberto V <0,7 Fechado V >0,7 =0,7V Aberto V <0 Fechado V >0

10 Diodo - exemplo Diodo retificador 1N4001 anodo cátodo Obs: - Embora o diodo retificador 1N4001 suporte 1A como valor máximo absoluto, devemos garantir, por questão de segurança e de vida útil do dispositivo, que a corrente direta em condições normais de uso seja da ordem de 0.5 A. - A tensão direta típica (V F ) é de 0.93 V.

11 Diodo retificador 1N4001

12 Circuitos com diodos Algumas aplicações Porta lógica OR Porta Lógica AND Fonte de alimentação Meia onda Onda completa

13 Portas lógicas Porta lógica OR (X)V 0 (Z)V (Y)V out = 1 R Z=X+Y Porta lógica AND (X)V 0 (Z)V out (Y)V 1 R = Z=X.Y + -

14 Fontes de alimentação AC-DC Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz (senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes valores (220V, 110V, 12 V, etc), dependendo do fator de redução aplicado. Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa tensão, o que implica na necessidade de um transformador para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a retificação. Circuito retificador /± 220V V ac + - V dc

15 Transmissão de energia elétrica Transformador (eleva a tensão) A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes. Toda a rede de distribuição depende estreitamente dos transformadores, que elevam a tensão, ora a rebaixam. Linhas de transmissão de alta tensão Transformador (baixa a tensão)

16 O transformador primário secundário 1 I N 1 : N 1 2 I 2 2 V 1 V 2 carga Onde: N 2 = Número de espiras do secundário do transformador N 1 = Número de espiras do primário do transformador Considere que não há perda no circuito magnético do transformador (transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída (P 1 =P 2 ). Se P 1 =P 2, então I 1 V 1 = I 2 V 2 => I 1 / I 2 = V 2 /V 1 ; Relação tensão/número de espiras em um transformador: como V 2 / V 1 =N 2 / N 1, então I 1 / I 2 = N 2 /N 1, ou seja, I 1 = (N 2 /N 1 ). I 2 e I 2 = (N 1 /N 2 ). I 1

17 Retificador por diodo Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo valor médio é zero) em um forma de onda unidirecional, com uma componente não zero, é chamado retificador. N 1 : N 2 5 : 1 V 1 (rms) V 2 (rms) R L V dc =? π 2π α=ϖt V(volts) V p 0 π 2π α=ϖt

18 Valores de tensão gerados Valor Eficaz ou valor RMS é o valor que a tensão ou corrente deveria ter se a tensão fosse constante (como uma C.C. constante). Por definição o valor efetivo ou rms de uma função periódica do tempo é dada pela área de um ciclo da curva, a qual representa o quadrado da função dividida pela base. 2π V rms = (1/ 2π. V(t) 2 dt) 1/2 Para retificação meia onda: π =(1/ 2π. V p (t) 2 sen 2 dt) 1/2 = V p (t)/ 2 V rms 0 0 Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 70%. Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, fazse referência ao seu valor eficaz. A corrente alternada medida por um amperímetro é a corrente eficaz. Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS)..

19 Retificação de meia onda N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 V 1 = 120V V 2 = 24 V R L V dc =? Tensão de pico no primário: V p1 = Vrms. 2 => ( ) V = 170 V Tensão de pico no secundário: V p2 = (N 2 / N 1 ). V p1 = (1/5) V A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha: f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms Considere que o diodo é um diodo ideal

20 N 1 : N 2 5: 1 1N4001 Retificação em meia onda T = 16.7 ms V 1 = 120V V 2 = 24 V R L V dc =10,8 V T/2 T V(volts) 170 = 16.7 V 1 V(volts) 34 T = 16.7 V 2 t(ms) t(ms) O valor médio de uma função periódica é dado por V dc = (1/T). V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área da meia onda) dividido pela base (T= 2 π ) V dc = (1/T) V(t)dt, T=2 π, para meia onda: T/2 V dc =(1/T) V p sen(wt). dt = V p /π = 0,318 Vp. 0 Assim, V dc = 0,318.(34)V = 10,8 V Freqüência: f=1/t = 1/16.7 ms = 60 Hz

21 V(volts) 170 Fator de ondulação = 16.7 t(ms) Retificação em meia onda N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 T = 16.7 ms V 1 = 120V V 2 = 24 V R L V dc T/2 T Fator de Ondulação = F.O = V p /(V p /π) = π

22 Retificação de onda completa Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo. N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 V 1 = 120V 24 V R L V dc 1N4001

23 N 1 : N 2 5 : 1 1N4001 (f 2 = 120Hz) 17V V 1 = 120V (f 1 = 60Hz) R L V dc =10,4V 1N Tensão de pico no primário: V p1 = (120.1,414) V = 170 V - Tensão de pico no secundário: V p2 = (N 2 / N 1 ). V p1 = (1/5) V (total) - Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário tem uma tensão senoidal com um valor de 17V. -O valor cc (V dc ) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é dado por: V dc = (2.V p /π) = 0,636 V p = 10,4V A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f 2 = 2.f 1 = 2. (60 Hz), T 2 = 1/f 2 = 16,7/2 = 8,33 ms Fator de ondulação = V p /(2.V p /π) = π/2

24 Retificação de onda completa em ponte Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um trafo sem tap central (tomada central aterrada). A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com tomada central. 24 V V 1 = 120V (6OhZ) D 1 D 4 D 2 D 3 V

25 170V 34 V -170V Tensão reversa Tensão reversa

26 D 1 D 4 D 2 D 3 34V V Neste tipo de retificador a tensão de pico V p saída é dada por: V p = 24/0.707 = 34 V Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga é dada por V p 2.(0.7) = 32,6 V Vantagens deste modelo: 1. saída em onda completa 2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário 3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário. Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por: f 2 = 2.f 1 = 2. (60 Hz), T 2 = 1/f 2 = 16,7/2 = 8,33 ms Fator de ondulação V p /(2.V p /π) = π/2

27 Reduzindo Fator de ondulação - filtro Tensão de ondulação Redução do F.O através da introdução de um capacitor em paralelo com a carga do circuito T r = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico) T p = tempo entre picos na tensão de saída Funcionamento: 1. Inicialmente o capacitor está descarregado. 2. Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário,o diodo está conduzindo permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico. 3. Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão V p polariza inversamente o diodo e começa a descarregar-se na carga (R l ). 4. O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do capacitor, que é função de R l e de C. Esta constante deve ser bem maior que o período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco até o próximo ciclo.

28 Capacitor curva de carga Equação de carga do capacitor V Em t = RC V 0 V 0 V 0 Em t = 2RC 0,86V 0 V 0 0,63 V 0

29 A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta como na descarga do capacitor, dada por: A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin: Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial como Assim, Desde que T2-T1 T/2, onde T é o período da onda senoidal, então Para um circuito com retificação de meia onda V r (pp) = V max /frc

30 Circuito retificador em ponte A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte retificadora: Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda de tensão. Vdc = Vp 1.4V Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos estimar que: Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) V r (pp)/2 Este é um valor médio utilizada na prática. O valor de pico a pico é menor que 10% do valor de pico.

31 Circuito retificador em ponte Corrente cc no diodo em uma ponte retificadora é dada por: I D = o,5.i L Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo. Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga máxima do circuito deveria ser de 2 A. Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução. PIV = V p2 Corrente de surto Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o capacitor está descarregado. O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo determinado. Se o capacitor for, em geral,menor que µf, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo. Se o capacitor for superior a µf, necessitando de vários ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.

32 Projeto Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características: Vsaída = 18V (rms) (tap central 9V) Corrente máxima = 100mA (carga) Retificador de meia onda (sem filtro capacitivo) 1. Retificador de onda completa em ponte 1. sem filtro capacitivo 2. Com filtro capacitivo (Ondulação máxima menor que 5%Vmax) Obs: Utilizara retificação onda completa Especificar todos os componentes Demonstrar projeto em protoboard Implementar em placa padrão

33 Conversão AC - DC Inversão de fase

34 Conversão AC - DC Vp(pp) < 0.5% Vmax