SOLUÇÃO DE CIRCUITOS COM DIODO

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1 08/0/04 UNVERAE ECNOLÓGCA FEERAL O PARANÁ EPARAMENO ACAÊMCO E ELEROÉCNCA ELERÔNCA - E74C -- Profª Elisabete N Moraes AULA 4 MOELO MAEMÁCO O OO EMCONUOR Em 8 de outubro de 04. OLUÇÃO E CRCUO COM OO. Análise gráfica: as informações são obtidas pelo cruzamento da curva característica do diodo em conjunto com a reta de carga do circuito elétrico em questão e que determina o ponto de operação ou quiescente (Q) do diodo.. Modelo elétrico do diodo: faz a representação elétrica do diodo a partir de estruturas elétricas elementares. 3. Modelo matemático do diodo: emprega uma equação matemática que representa o comportamento elétrico do diodo.. Análise gráfica. Modelo elétrico 3. Modelo matemático v nv i ( e ) Boylestad: seções:.6 a.9 e seções:. a.5

2 08/0/04 OLUÇÃO GRÁFCA. Ponto de operação ou quiescente: análise gráfica em que as informações são obtidas pelo cruzamento da curva característica do diodo em conjunto com a reta de carga do circuito elétrico em questão e que determina o ponto de operação ou quiescente do diodo. i) Curva característica iii) Reta de Carga iv) Ponto Quiescente Curva característica + Reta de carga ii) Circuito sob análise 3 MOELO ELÉRCO (AULA 3). Modelo elétrico do diodo: faz a representação elétrica do diodo a partir de componentes elétricos elementares. 4

3 08/0/04 MOELO MAEMÁCO V V ( e ) eq. Onde: = corrente no diodo (A) = corrente de saturação (A) V = tensão no diodo (V) + pol. direta - pol. reversa = coeficiente de emissão. Uma função de V que tb depende do material.. V = tensão térmica (V). k V eq. q Onde: k = constante de Boltzmann =,38x0-3 J/K. = temperatura absoluta em K (73ºC +ºC) q = carga elétrica do é =,6x0-9 C. Boylestad: seção.6 edra: seção 3. ispositivos e Circuitos Eletrônicos, vol do heodore F. Bogart Jr.: seções.6 e.7 5 ANÁLE A EQ. NA REGÃO REA V V ( e ) eq. Características construtivas: área da seção transversal do diodo. Para diodos de pequeno sinal, ou seja, para aplicações com baixo consumo de potência, em que as dimensões são reduzidas, a corrente é próxima a 0-5 A. A cada aumento de 0ºC na temperatura*, o valor de dobra de valor. A tensão térmica para 0ºC 6mV. como depende do material e estrutura física, adota-se o valor igual a =, quando não for informado. Considerando d o diodo d da família N = 5ºC em que V = 0,5V e admitindo =: V V ( e ) (5.0 4A e 6 0,5 ().(0,06) 4, )( )

4 08/0/04 ANÁLE A EQ. NA REGÃO REA Conforme o exemplo numérico anterior, a eq. pode ser aproximada para a eq. 3: V V. e eq e a eq. 3 pode ser expressa alternativamente na forma logarítmica pela eq. 4: V. V. ln eq. 4 s Observa-se como uma propriedade dos diodos a ocorrência de uma relação exponencial entre a corrente e V por aproximadamente 7 décadas. al fato possibilita estruturar a relação x V para duas condições de operação: (V, ) e (V, ) V V V V e V V. e V. e V V V ln log a log a V V V. c. b,3.. log eq 5 logc b 7 ANÁLE A EQ. NA REGÃO REA A eq. 5 indica que para uma variação de uma década (fator de 0) na corrente do diodo, a queda de tensão no diodo varia de,3v, que é aproximadamente 60mV para = e 0mV para =. Essa constatação possibilita que os níveis elétricos de um circuito contendo diodo possam ser calculados pelo método iterativo. V V,3. V. log eq. 5 Observe o exemplo 3.4, p. 5 do livro do edra no slide a seguir: 8 4

5 08/0/04 ANÁLE ERAVA NA OLUÇÃO E CRCUO etermine a corrente e a tensão V para o circuito em que V = 5V e R=k. upor que a corrente no diodo seja igual a ma quando a sua tensão for de 0,7V e que há uma variação de 0,V a cada variação de uma década de corrente. iv) A segunda iteração utiliza o valor de V = 0,763V na equação do circuito para o cálculo da corrente nessa condição. i) O início da iteração ocorre a partir do cálculo: ii) Na sequência emprega-se a eq. 5, com a condição de que (,3)()(V )(V ) =0,. 0 V =0,7V e =ma V =? e =4,3m iii) O resultado da primeira iteração ocorre pela substituição de = 4,3mA na equação anterior, resultando em V = 0,763V. v) O valor da tensão no diodo na segunda iteração é calculado pela substituição da nova corrente na eq. 5 : vi) Como e valor de V não é muito diferente do que foi calculado na ª iteração, pode-se concluir que os valores para o circuito são: = 4,37mA V = 0,76V. 9 Exercícios 3.6 a 3.8 do edra, p. 9: EXERCÍCO 3.6) Considere um diodo de silício com =,5. etermine a variação na tensão se a corrente varia de 0, a 0mA. Adotar V = 5mV. 0m V V,3. V. log V (,3).(,5).(0,05)log V 7, 5mV 0,m 3.7) Um diodo de i com = tem V=0,7V e = ma. Calcule o potencial em seus terminais para =0,mA e 0mA. olução: aplica-se diretamente a eq. 5, que resulta em: Para 0,mA0,645V e para 0mA 0,7575V. 3.8) Usando o fato de um diodo de i com tem = 0-4 A a 5ºC e que s aumenta em 5% por ºC de aumento de temperatura, calcule o valor de a 5ºC. Aumento de 5%,5 = 5º-5º=00 em 5ºC = (0-4 ).(,5) 00 =,743x 0-8 A 0 5

6 08/0/04 ANÁLE A EQ. NA REGÃO REVERA V V ( e ) eq. Admite-se que para essa análise os valores da tensão no diodo são negativas. Essa condição implica em: e V V e VR V e x x elevado 0 x e (0 ) eq. 6 A eq. 6 é válida para a condição ideal, pois não considera o efeito da corrente de fuga, que é a corrente que circula ao longo da superfície do diodo e segue a Lei de Ohm. REGÃO ZENER/RUPURA e a tensão reversa aplicada sobre o diodo for aumentando, chega-se a um nível no qual a corrente reversa que circula pelo diodo aumenta de maneira abrupta, mantendo o valor da tensão. Conforme a subseção do livro do edra (p.4) e seção.6 6(p.) )do Boylestad há dois mecanismos possíveis de ruptura quando a operação do diodo ocorre nessa região: efeito zener efeito avalanche Essa condição de operação pode ser aproveitada e utilizada de forma a resultar em um dispositivo eletrônico projetado especialmente para operar nesta condição, para manter a tensão constante. Esse dispositivo denomina-se diodo zener., tensão de zener: Vz, VBR Por outro lado, se o diodo não for apropriado para operar na condição de ruptura, levará o componente a sua deterioração. 6

7 08/0/04 EFEO ZENER E AVALANCHE Efeito Zener quando Vz <5V Ocorre quando o campo elétrico na camada de depleção aumenta até quebrar a ligação covalente e gerar um par elétron-lacuna. Os elétrons gerados por essa forma são acelerados para dentro do lado n e as lacunas do lado p, que sustentam e intensificam a corrente s. Efeito Avalanche: Vz>7V Ocorre quando os portadores minoritários que cruzam a região de depleção sob o campo elétrico. Esses adquirem energia cinética (velocidade) suficiente para quebrar as ligações covalentes nos átomos com os quais colidem, que geram mais portadores que sofrem o mesmo processo, resultando no efeito avalanche. 3 CAPACÂNCA (BOYLEA EÇÃO.0) Muitos efeitos capacitivos de derivação podem ser ignorados em semicondutores, pois o capacitor comporta-se como um circuito aberto, porém em frequências elevadas e/ou aplicações de alta potência, esse efeito não pode ser ignorado. X C eq. 7 fc f 0 f X C X C Nos diodos, os efeitos capacitivos decorrem em ambas as polarizações: Na polarização reversa, ocorre a capacitância de transição ou depleção (C ); Na polarização direta, tem-se a capacitância de difusão (C ) ou de acumulação. A C eq. 8 d A camada de depleção, comporta-se essencialmente como uma região sem portadores portanto um isolante entre camadas opostas. Na polarização reversa, essa camada aumenta, ou seja, a distância d é maior, o que resulta em uma redução na capacitância nesta região. C C 4 7

8 08/0/04 EMPO E REEABELECMENO REVERO (BOYLEA EÇÃO.) Na condução direta, a própria natureza da situação implica na existência de uma grande quantidade de elétrons no material tipo P e uma grande quantidade de buracos no material tipo N, o que resulta em uma grande quantidade d de portadores minoritários em cada material. Caso a tensão no diodo seja invertida, ou seja, polarização reversa, a reorganização dos portadores minoritários demandará um determinado intervalo de tempo, definido como tempo de armazenamento (ts). Esse tempo é para que os portadores minoritários voltem a condição de portadores majoritários. t Nessa situação, ocorrerá um estado de curto-circuito, em que a corrente reversa ( reversa ) é limitada pelos parâmetros do circuito. Finalizada esta condição, a corrente reversa diminui aos níveis associados ao estado de não condução. Esse cenário determina o intervalo de transição (tt). Portanto o intervalo de reestabelecimento reverso é dado pela soma dos tempos de armazenamento e transição. trr = ts + tt 5 EFEO A EMPERAURA A eq. mostra que os valores de ambas as correntes direta e reversa dependem da temperatura por meio da termo da tensão térmica V. Há também a se considerar que a corrente de saturação também é dependente da temperatura pois fornece energia para a estrutura cristalina, que favorece o aparecimento de portadores. O efeito mais intenso é sobre os portadores minoritários. Na realidade o valor de, é mais sensível às variações de temperatura do que V, em que pode apresentar um efeito mais pronunciado no valor da corrente no diodo. Uma regra prática, geralmente aplicada é aplicar a relação de que dobra de valor a cada 0ºC de aumento na temperatura. Exercício: Um diodo de i apresenta uma corrente de saturação igual a 0,pA a 0ºC. a) Calcule a corrente quando for polarizado diretamente com 0,55V. b) Calcule a corrente no mesmo diodo para 00ºC. 6 8

9 08/0/04 EXEMPLO O CÁLCULO OBRE O EFEO A EMPERAURA a.i) Usando a eq. para = 0ºC: 3 V k (,38.0 )(73 0) 0, V q, a.ii) Usando a eq. para = : 0,55 ()(0,57) 3 0 ( e ) 0, 83mA b.i) Usando a eq. para = 00ºC: 3 V k (,38.0 )(7300) 0, V q, b.ii) Ao variar a de 0ºC para 00ºC, houve um incremento de 0ºC para cada (00º-0º) =80º, ou seja, a corrente dobra a cada 80º/0º = 8 vezes. O fator a ser aplicado: 8 = 56 no aumento da corrente. Logo a 00ºC, = A. b.iii) A corrente no diodo para = 00ºC, cfe. a eq. : 0,55 ()(0,37) ( e ) 0, 68 ma b.iv) O valor da corrente o diodo aumenta de: % = 0,68m/0,83m= 40% 7 EXERCÍCO )Projete o circuito da fig ao lado para proporcionar uma tensão de saída igual a,4v. uponha que os diodos disponíveis tenham 0,7V de queda de tensão para uma corrente de ma e que V=0,V/década de variação de corrente. R: 760 (edra, 3.8) ) Um diodo de i, tem uma corrente de pa. Usando os valores de indicados a seguir e supondo que a=5ºc, calcule a corrente no diodo quando: (Bogart, ex..8) a) Polarizado reversamente em 0,V e =. R: -0,857pA b) Polarizado reversamente em V e =. R: -pa c) Anodo e catodo em curto e =. R: 0 d) Polarizado diretamente com V=0,5V e =. R: 0,035mA e) Polarizado diretamente com V=0,7V e =. R: 675mA 3) A corrente de saturação de um determinado diodo é de,5pa a 5ºC. Qual é o valor aproximado para 55ºC. R:pA. (Bogart,.5) 4) A corrente direta em uma junção PN é,5ma a 7ºC. e =,4.0-4 A e =, qual é o valor da tensão de polarização direta na junção? R: 0,643V. (Bogart,.7) 5) Uma junção PN de i, tem uma corrente de saturação de,8.0-4 A. uponha =, calcule a corrente na junção quando a tensão de polarização direta de 0,6V e temperatura de 7ºC. R: 0,8mA (Bogart,.5) 8 9