PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA E FÍSICA Professor: Renato Medeiros ENG Eletrônica Geral.

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA E FÍSICA Professor: Renato Medeiros ENG 1550 Eletrônica Geral Cap 01 Goiânia 2019

2 Classificação dos materiais Condutores: Material capaz de sustentar um fluxo de cargas elétricas quando submetido a uma diferença de potencial; Isolante: material capaz de oferecer resistência ao fluxo de cargas elétricas quando submetido a uma diferença de potencial; Semicondutor: material que possui nível de condutividade entre os extremos de um isolante e de um condutor

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4 Exemplos de semicondutores: Silício Como material refratário, sendo usado em cerâmicas e esmaltados. Como elemento de liga em fundições. Fabricação de vidro e cristais para janelas e isolantes, entre outros usos. O carboneto de silício é um dos abrasivts mais importantes. Usa-se em lasers para a obtenção de luz com um comprimento de onda de 456 nm.

5 O silicone se usa em medicina para implantes em seios e produção de lentes de contato. O silicone é usado para fabricação de Chupetas Germânio: Fibra óptica. Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas, ligas metálicas de SiGe em circuitos integrados de alta velocidade. Óptica de infravermelhos: espectroscópios, sistemas de visão noturna e outros equipamentos. Lentes, com alto índice de refração, de ângulo amplo e para microscópios. Em joias é usado uma liga metálica de Au com 12% de germânio. Como elemento endurecedor do alumínio, magnésio e estanho. Em quimioterapia. O tetracloreto de germânio é usado como catalisador na síntese de polímeros ( PET ). Foi usado enquanto germanato de bismuto no tipo de câmera gama utilizada nos anos 80, em medicina nuclear Além do germânio, do silício e de alguns outros elementos, são semicondutores uma grande quantidade de substâncias entre as quais se destacam os compostos binários constituídos por átomos de grupos diferentes da tabela periódica como, por exemplo, GaAs,

6 Elemento Energia de gap (ev) Silício Si 1,21 Germânio Ge 0,785 Arseneto de Gálio GaAs 1,54 Semicondutores Intrínsecos Semicondutores intrínsecos são substâncias sem qualquer tipo de impureza. Para Temperaturas baixas comportam-se como isolantes. O silício e o germânio são semicondutores intrínsecos com uma banda proibida de 1,21 ev e 0,785 ev, respectivamente. Aqui o número de lacunas é igual ao número de elétrons livre (nl = ne), eles são gerados, principalmente, por excitação térmica

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8 Semicondutores Extrínsecos. A condutividade de um material semicondutor pode ser aumentada por diversas ordens de grandeza pela adição de quantidades muito pequenas de certas substâncias chamadas impurezas.

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11 Formação dos diodos Um pedaço de SC, tanto tipo N quanto tipo P, não tem muito mais utilidade do que como resistor A junção PN diodos e transistores O nome diodo vem da contração de dois (di) eletrodos (odos)

12 Camada de depleção No lado N os elétrons repelem-se em todas as direções, inclusive alguns elétrons são lançados através da junção PN recombina-se com uma lacuna e deixa de ser elétron livre e passa a ser um elétron de valência Na verdade temos a geração de um íon positivt no lado P e um íon negativt no lado N.

13 Camada de depleção No lado N os elétrons repelem-se em todas as direções, inclusive alguns elétrons são lançados através da junção PN recombina-se com uma lacuna e deixa de ser elétron livre e passa a ser um elétron de valência Na verdade temos a geração de um íon positivt no lado P e um íon negativt no lado N.

14 Polarização dos diodos No estado normal, o semicondutor é eletricamente neutro Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar buracos na parte P, deixando esta com um potencial negativt e a parte N com um potencial positivt e, assim, formando uma barreira potencial VT. A polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P.

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16 Recapitulando Diodos Retificadores Aqui trataremos dos métodos de aproximação dos diodos. A aproximação a ser usada dependerá do que VTcê pretende fazer. Após o estudo deste capítulo, VTcê deverá ser capaz de: Desenhar o símbolo do diodo e identificar o catodo e anodo;

17 Desenhar a curva do diodo e identificar todos os seus pontos; Descrever as características de um diodo ideal, da segunda e da terceira aproximação; Montar os retificadores de meia onda, de tomada central e em ponte. O símbolo Esquemático. A figura abaixo mostra o símbolo esquemático de um diodo retificador. O lado P é chamado anodo e o lado N de catodo. A simbologia do diodo lembra uma seta, que indica o sentido de fluxo de corrente que circula do lado P para o lado N. Curva do Diodo. No circuito abaixo a primeira coisa a ser feita é identificar se o diodo está polarizado diretamente (PD) ou reversamente (PR).

18 Polarização direta do diodo Após identificarmos se o diodo está polarizado diretamente ou reversamente, podemos obter a curva deste diodo conforme a figura abaixo Tensão de Joelho. O valor da tensão no qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada tensão de joelho do diodo ( VT ). Este valor depende do tipo de cristal que é formado o diodo. No caso do silício temos 0,7 V. já para o germânio temos uma tensão de joelho 0,3 V. Resistência de Corpo. Uma vez vencida a barreira de potencial, o que impede a corrente de fluir é a própria resistência do cristal, chamada resistência de corpo do diodo. Ela é dada pela soma da resistência do lado N com a resistência do lado P, ou seja, rb = rp + rn Podemos usar a expressão abaixo para calcular este valor: r B V = I V I onde V1 e I1 são a tensão e a corrente no joelho e V2 e I2 são a tensão e a corrente em algum ponto acima do joelho na curva do diodo.

19 Por exemplo, a folha do 1N4001, fornece uma tensão direta de 0,93 V para uma corrente de 1,0 A. Como é um diodo de silício, sabemos que no joelho temos uma tensão de 0,7 V e uma corrente de aproximadamente 0 A. Com isso temos: r B V I V I 2 1 = = = = 0, ,93 0, 7 0, Máxima Corrente cc direta. Para garantir que não iremos ultrapassar a corrente máxima, devemos colocar um resistor para limitar a corrente no diodo, chamamos este resistor de limitador de corrente. Quanto maior o valor desse resistor, menor a corrente no diodo. Essa resistência vai garantir que não nos aproximemos da corrente máxima. A corrente no diodo é dada por V V i = D R onde, V é a tensão da fonte e VD a tensão aplicada ao diodo. Resistência DC ou estática A resistência do diodo no ponto de operação pode ser encontrada simplesmente encontrando-se os valores correspondentes de VD e ID, conforme mostrado na figura abaixo Podemos aplicar a equação para obter a resistência do diodo

20 R D V = I D D Exemplo #1 R D = V D 0,5 = = 250W -3 I D 2 10 R D = V D 0,8 = = 40W -3 I D R D = V D 10 = = 10MW -6 I D 1 10 Resistência AC ou dinâmica Quando o sinal de entrada é senoidal invés de ser continuo (DC) temos agora uma resistência AC ou variável

21 Então temos a resistência calculada por r d V = I d d Exemplo #2

22 Podemos calcular a resistência matematicamente da seguinte maneira Como temos a corrente direta no diodo dada por: D S kvd/ TK ( 1) I = I e onde k é definido por k = = 2( silício) = 1(Gemânio) Então: di d k = I e = I + I dv dv T kvd/ TK ( 1) ( ) D S D S d d K Como: I D I S di dv D d k T K ( I ) D Usando o Germânio k = = E na temperatura ambiente: T = T = = 298K K C k ,93 T = 298 = K di k dvd 0,026 D = 38,93ID = dv T di I D E portanto, ( I ) D K D D r D 26mV = I D Se considerarmos agora TODO o cristal semicondutor, temos a resistência do diodo da seguinte maneira:

23 26mV r D = + r I D B Este valor da resistência de corpo ( r B ): 0,1 r B 2 Resistência AC média Se o sinal de entrada for grande o suficiente, podemos calcular esta resistência como: r av V = I d d p p Primeira Aproximação: Diodo Ideal. Na aproximação ideal o diodo funciona como um condutor perfeito (resistência nula) quando diretamente polarizado e como um perfeito isolante (resistência infinita) quando reversamente polarizado. A figura abaixo mostra um diodo ideal Segunda Aproximação: Simplificado

24 Desta vez podemos pensar no seguinte dispositivo: uma chave em série com uma barreira de potencial de 0,7 V. Se a tensão da fonte for de pelo menos 0,7 V, a chave se fecha e temos corrente. Terceira Aproximação: Linear Na terceira aproximação de um diodo, incluímos a resistência do corpo rb. Nesta aproximação temos o efeito que a resistência do corpo sobre a curva do diodo Neste caso temos a chave em série com uma bateria e mais uma resistência em série. Quando a tensão da fonte for maior que 0,7 V, o diodo conduz. A tensão total no diodo é igual a: V V I r = V a T D D B V V = V + I r a B T D D VD V = V + I r D T D D

25 Para o Silício, temos: V D = 0,7 + I r D D A potência máxima é dada por: P = V I Dmax D D Exercícios 01) Determine a corrente de diodo a 20 o C para um diodo de silício com IS = 50nA e uma polarização direta aplicada de 0,6V. æ I D = I S ç è ö T K -1 ø KV D e K = (silício) = T K = T C = = 293k æ I D = I S ç è ö T K æ -1 = e ç ø è KV D e , ö ø = 7,20mA 02) Determine a corrente de diodo a 100 o C para um diodo de silício com IS = 0,50µA e uma polarização direta aplicada de 0,6V.

26 æ I D = I S ç è ö T K -1 ø KV D e K = (silício) = T K = T C = = 373k æ I D = I S ç è ö T K æ -1 = 0, e ç ø è KV D e , ö ø = 5,6mA 03) Determine a corrente de diodo a 20 o C para um diodo de silício com IS = 0,1µA e uma polarização reversa aplicada de -10V. æ I D = I S ç è ö T K -1 ø KV D e K = (silício) = T K = T C = = 293k æ I D = I S ç è ö T K æ -1 = 0, e ç ø è KV D e , ö ø = -100nA 04) Determine a resistência estática ou dc de um diodo da figura abaixo para uma corrente direta de 2mA R D = V D = 0,68 = 340W -3 I D 2 10

27 05) Determine a resistência AC para uma corrente direta de 10 ma para a figura do exercício 04 r d = DV d 0,88-0,76 = DI d = 0,12 = 12W ) Calcule a resistência dc para o diodo da figura do exercício 04 em uma corrente de 10mA, e compare o resultado com a resistência AC do exercício 05. R D = V D 0,84 = = 84W -3 I D R D r d 07) Determine a resistência ac média para o diodo da figura do exercício 04 para uma região entre 0,6 e 0,9 V. r av = DV d DI d p- p = 0,9-0,6 = 17,86W , ) Na figura abaixo, qual é a corrente na carga com um diodo ideal?

28 Figura 01 09) Na figura 01 qual é a corrente usando a segunda aproximação, assumindo um diodo de silício. V S -V T = I D R I D = V S -V T R = 15-0,7 1k = 14,3mA 10) Um diodo está em série com uma resistência de 220 Ω. Se a tensão nessa resistência for de 4 V, qual será a corrente no diodo? Como a resistência e o diodo estão em série, basta descobrir a corrente que passa pelo resistor, e ela será a mesma que passa pelo diodo. Para isso iremos apenas usar a lei de Ohm. V = Ri 4 = 220i i = 18,2mA