Análise de Circuitos com Díodos

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1 Teora dos Crcutos e Fundamentos de Electrónca Análse de Crcutos com íodos Teresa Mendes de Almeda [email protected] EEC Área Centífca de Electrónca 1 Matéra Semcondutores íodo de junção PN Característca V- Modelos lneares por troços díodo deal díodo deal com fonte de tensão díodo deal com fonte de tensão e resstênca Análse de crcutos com díodos Crcutos lógcos Crcutos lmtadores íodo Zener Crcutos rectfcadores e detector de pco Exemplos de aplcação 2 T.M.Almeda ST-EEC- ACElectrónca Semcondutores 3 Semcondutores 4 spostvos electróncos modernos crcutos ntegrados, díodos, transístores produzdos com materas semcondutores Slíco (S) o mas utlzado Germâno (Ge) Materal Semcondutor tem propredades eléctrcas especas mecansmo de crculação das cargas não pode ser explcado como nos condutores/soladores não é um bom condutor de corrente eléctrca (como o Cuou o Al) não é um solante (como a borracha ou o plástco) capacdade de formar crstas com propredades eléctrcas especas cada átomo partlha 4 electrões de valênca com átomos vznhos estrutura entrelaçada (lgações covalentes) muto estável crstal corrente eléctrca: movmento de electrões e de lacunas ntrínseco (puro) lacunas - cradas por electrões que se lbertam das lgações covalentes nº de lacunas nº electrões lvres Exemplo (T A ) S: n p 1, portadores/m 3 Ge: n p 2, portadores/m 3 condutor de Cu: n 28 3 p 8,4 10 portadores/m Extrínseco (mpuro) n p equlíbro entre nº de portadores é delberadamente alterado ntroduzdos átomos de mpurezas no crstal (grupos e V) 2 2 n p n p Materal tpo N predomnam electrões dopado com antmóno, arséno, fósforo Materal tpo P predomnam lacunas dopado com alumíno, boro, gálo, índo

2 íodo de Junção PN 5 íodo de Junção PN 6 Junção PN unão entre materas tpo P e N regão onde materas são undos junção PN processo de fabrco cra zona de transção entre 2 tpos de materas íodo de Junção PN P N Análse smplfcada do funconamento do díodo comporta-se como um nterruptor drecconal dexa passar corrente num sentdo não permte passagem de corrente em sentdo contráro > 0 0 P N Há város tpos de díodos E díodo emssor de luz emte luz quando em condução (passa corrente) fotodíodo conduz quando há luz ncdente díodos usados como condensadores de capacdade varável Aplcações crcutos lógcos funções lógcas (AN, O) lmtadores lmtam snas a determnados valores máxmos e/ou mínmos crcutos de protecção rectfcadores rectfcam snal alternado conversão AC C Característca Tensão-corrente 7 Característca Tensão-corrente 8 Característca V- é NÃO-NEA + v - Podem consderar-se TÊS ZONAS E FUNCONAMENTO Equação do díodo S corrente de saturação (~10-15 A) n coefcente de emssão (1 n 2) n1 crcuto ntegrado n2 componentes dscretos V T tensão térmca 20 C) k constante Boltzmann(1, J/K) T temperatura absoluta (K C + 273) q carga electrão (1, C) v S V T k T q Zona drecta v > 0 > 0 Zona nversa -V MAX < v < 0 0 Zona drecta v >> nv T e S v Zona de dsrupção v < -V MAX < 0 (breakdown) Zona nversa S

3 Característca Tensão-corrente 9 Análse de crcuto com díodo 10 ependênca com a temperatura S corrente de saturação duplca por cada varação T +5 C V T tensão térmca para corrente constante k T VT q v dmnu 2mVpor cada T +1 C sensbldade à temperatura usada para construr termómetros Análse de crcutos com díodos v S em algumas stuações é utlzada a sua característca -V exponencal obtém-se um crcuto não-lnear com equações não-lneares na análse de crcutos utlzam-se mutas vezes modelos lneares por troços em cada troço podem usar-se técncas de análse de crcutos lneares aproxmações váldas nas dferentes zonas de funconamento Um díodo é um componente com característca -V não lnear solar o díodo do resto do crcuto (que é lnear) consderar o equvalente de Thévenn Métodos de análse cálculo matemátco solução gráfca cálculo teratvo Cálculo matemátco v S v voc v S TH usar programa de cálculo encontrar zeros de função v voc v S e 1 0 f ( v ) 0 dando uma estmatva ncal TH exemplo n 2 VT 25mV S 2nA v V v ncal 0 VOC 5V TH 1kΩ 4.3mA Análse de crcuto com díodo 11 Análse de crcuto com díodo 12 Solução gráfca encontrar grafcamente a solução gráfco de (v ) v S gráfco de (v ) recta de carga Cálculo teratvo voc v TH v nv T S v ln 1+ S ncar cálculo com estmatva ncal teratvamente calcular e v parar quando crtéro de convergênca é atngdo VOC v 0 TH voc v TH v V OC 0 solução está no cruzamento dos gráfcos n 2 VT 25mV S 2nA VOC 5V TH 1kΩ v 0.73V 4.3mA recta de carga v 0 V 5mA 1 v V ma v V ma v V ma v V 0.1% v 0.7V 4.3mA v V mA v V mA v V mA v V n 2 VT 25mV S 2nA VOC 5V TH 1kΩ v 0.73V 4.3mA

4 Modelos lneares por troços 13 Modelos lneares por troços 14 Modelo de ÍOO EA 2 estados possíves ON / OFF ON díodoconduz + v - o díodo é substtuído por um curto-crcuto v 0 > 0 o valor da corrente é determnado pelo resto do crcuto onde o díodo está nserdo OFF díodocortado o díodoé substtuído por um crcuto aberto 0 v < 0 valor da tensão é determnado pelo resto do crcuto v 0 > 0 v < 0 0 Modelo com FONTE E TENSÃO 2 estados possíves ON / OFF ON díodoconduz + v - díodo substtuído por fonte de tensão v V 0 > 0 o valor da corrente é determnado pelo resto do crcuto onde o díodo está nserdo OFF díodocortado díodo substtuído por crcuto aberto 0 v < V 0 o valor da tensão é determnado pelo resto do crcuto V 0 > 0 v < V 0 0 Modelos lneares por troços 15 Exemplo de aplcação 16 Modelo com FONTE E TENSÃO e ESSTÊNCA 2 estados possíves ON / OFF ON díodoconduz díodo substtuído por fonte de tensão em sére com resstênca v V 0 + v v > 0 valor da corrente é determnado pelo resto do crcuto onde díodo está nserdo OFF díodocortado díodo substtuído por crcuto aberto 0 v < V 0 valor da tensão é determnado pelo resto do crcuto v < V 0 0 Calcular a corrente que percorre o crcuto consderando o modelo do díodo deal substtur díodo por modelo deal íodoconduz?... + v - Hpótese: consderar díodo ON e calcular 5 5mA > 0 1k como > 0, confrma-se a hpótese de se consderar díodoem condução Hpótese: consderar díodo OFF e calcular v V 5V > 0 como v > 0, não se confrma a hpótese de díodocortado (OFF) díodo ON

5 Crcutos lógcos 17 Exemplos de aplcação 18 ealzar funções lógcas crcutos com resstêncas e díodos níves lógcos correspondem a tensões díodo substtuído por modelo deal ON curto-crcuto ( >0) OFF crcuto aberto (v <0) + v - A 0 V 0V A 1 V 5V A A Calcular e V usando modelo de díododeal/ consderar hpótese de díodo ON/OFF fazer a análse do crcuto com um dos modelos valdar a hpótese feta ON confrmada se > 0 OFF confrmada se v < 0ou v < V 0 Função AN (E lógco) Função O (OU lógco) A B Y Y A B Y A B Y A + B Crcutos mtadores 19 Crcutos mtadores 20 mtam a tensão de saída lmtador duplo lmta tensão nferormente e superormente lmtador smples lmta tensão nferormente ou superormente Exemplos lmtador duplo lmtador smples mtador smples lmta nferormente a tensão de saída análse do crcuto + v - consderar o modelo do díodocom fonte de tensão OFF ON V 0 v V 0 0,7V Aplcação são crcutos de protecção que ncluem díodos não dexam que tensão de entrada de outro crcuto ultrapasse determnado valor máxmo/mínmo Hpótese: díodo ON V0 + v KV : V0 + + v 0 > 0 V + v < 0 v < V v < 0,7V vo v V0 0.7V íodo OFF 0 0 v > 0,7V v v O díodo ON díodo OFF v O v -0,7V v v O t

6 Crcutos mtadores 21 Exemplos de aplcação 22 Característca de transferênca v O (v ) análse do crcuto fo feta consderando para o díodoo modelo com fonte de tensão (V 0 0,7V) etermnar a característca de transferênca v O (v ) Para snal de entrada: -5V < v < +5V a) consderar modelo deal b) modelo com fonte de tensão (V 0 0,6V) + v - íodo Zener 23 íodo Zener 24 Na zona de dsrupção (breakdown) característca é pratcamente vertcal tensão é aproxmadamente constante díodo a funconar na zona de dsrupção pode ser usado para obter uma tensão constante íodo Zener especalmente concebdo para funconar na zona de dsrupção tem aplcação como regulador de tensão mantém tensão pratcamente constante aos seus termnas ndependentemente da corrente a entregar à carga da varação nas tensões de almentação pode estar a funconar em qualquer das 3 regões drecta, nversa ou de dsrupção em cada uma das zonas usa-se um modelo lnear que aproxma o díodo real v Modelos para o íodozener ON(zona drecta) > 0 v > V 0 usar um dos modelos já consderados para o díodo deal / fonte de tensão / fonte de tensão + resstênca OFF(zona nversa) 0 -V Z < v < V 0 crcuto-aberto Zener(zona de dsrupção) < 0 v -V Z -V Z tpcamente da ordem de dezena-centena de V ex.: 6,8V / 0,5W

7 Exemplo de aplcação 25 Crcutos ectfcadores 26 Se V + vara (± 10%), a tensão entregue à resstênca de carga também vara? consderando o díodo a funconar na zona de dsrupção(zener) ectfcador bloco essencal na consttução das fontes de tensão conversão de snas alternados em contínuos (AC C) modelo com fonte de tensão: v - V Z V V 6,8V O Z + V Z - Z VZ 6,8V + V VZ + V VZ Z // v Tpos de rectfcadores ½-onda onda completa postvos negatvos ectfcador de ½-onda 27 ectfcador de ½-onda 28 ectfcador de ½-onda postvo ectfcador de ½-onda postvo consderando díodo com modelo com fonte de tensão e resstênca Modelo deal íodo ON íodo OFF ectfcador de ½-onda negatvo trocar a posção do díodo

8 ectfcador de onda completa 29 ectfcador de onda completa 30 ectfcador em ponte v S > 0 ectfcador com ponto médo no transformador v S > 0 KV: v 1 +v O +v 2 -v S 0 v S < 0 KV: v 1 +v O -v S 0 KV: v 3 +v O +v 4 +v S 0 consderando modelo com fonte de tensão v O v S 2V 0 usando transformador com ponto médo v O v S V 0 ectfcadores 31 ectfcadores 32 ectfcador com condensador substtur resstênca do rectfcador de ½-onda por um condensador etector de Pco acrescentado um condensador ao rectfcador de ½-onda quando o díodocorta, o condensador (se fosse deal) mantera ndefndamente a carga armazenada tensão v O fcara constante a segur ao rectfcador exste sempre uma carga condensador va descarregar quando o díodo estver cortado quando díodoconduz, condensadarcarrega e v O v quando díodo corta, condensador descarrega através de v O (t) V p e -t/τ escolha de τ C não se pode alterar escolha de Cem função do período do snal e da ondulação do snal saída vo ( t) ( ) sn ( ω ) v t V t p

9 ectfcadores 33 etector de Pco escolha da capacdade do condensador C elevado carga é muto lenta pode não acompanhar a varação da entrada C baxo descarga é muto rápda provoca muta ondulação (rpple) no snal de saída calcular a ondulação da tensão de saída 6C 3C C consderar descarga aproxmadamente lnear (em vez de exponencal) admtr corrente de descarga constante (valor do níco da descarga) tempo de descarga período do snal (no rectfcador de ½-onda) etector de Pco com rectfcador de onda completa ondulação é menor ( metade) porque tempo de descarga ( T/2) é menor