Aula 9 Dispositivos semicondutores Diodos e aplicações

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1 ELETRICIDADE Aula 9 Dispositivos semicondutores Diodos e aplicações Prof. Marcio Kimpara Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

2 2 Material semicondutor Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores. Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência (átomos tetravalentes) dopados com átomos de outros elementos. Dois átomos, tetravalentes, bastante utilizados em materiais semicondutores são o germânio (Ge) e silício (Si).

3 3 Material semicondutor Tanto o germânio (Ge) e silício (Si) em estado puro apresentam-se na forma de um cristal, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração rígida. Esta estrutura cristalizada devido ao fato de cada átomo destes materiais fazerem 4 ligações covalentes com átomos vizinhos, uma vez que a estabilidade é atingida com oito elétrons na última órbita. Estrutura cristalina formada por átomos de Si e Ge

4 4 Dopagem A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina do sílicio (ou germânio), alterando suas propriedades elétricas. Existem dois tipos de materiais semicondutores, tipo N e tipo P, que dependem do tipo de impureza introduzida na rede.

5 5 Dopagem (material tipo P) Átomo de elementos com 3 elétrons na última camada são inseridos de modo que exista lacunas (falta de elétrons) para completar as ligações Um elemento comumente utilizado é o Boro. Com um espaço para ser preenchido, esta nova estrutura permite que elétrons livres completem a lacuna.

6 6 Dopagem (material tipo N) O material tipo N é formado quando são inseridos elementos com 5 elétrons na última camada, como por exemplo o Fósforo. O objetivo é que, o fósforo tendo 5 elétrons, quatro deles formem a ligação covalente com os átomos de Si vizinhos, restando 1 elétron. Desta forma, a nova estrutura formada tem elétrons livres para serem cedidos.

7 7 Junção PN Quando juntamos estes dois materiais, temos a chamada junção PN que dá origem ao componente eletrônico chamado DIODO O diodo é um semicondutor. Este componente pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais. Essa característica permite que o diodo possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua.

8 8 Diodo Componente de material semicondutor cuja característica é conduzir corrente elétrica em um sentido e bloquear no sentido inverso. Simbologia Condição para condução TENSÃO DE ANODO > TENSÃO DE CATODO Na prática Polarização direta Polarização reversa

9 9 Diodo Ligação de uma ddp Diodo conduz Diodo não conduz DIODOS EM CIRCUITOS Quando está no estado LIGADO, ou seja, conduzindo, o diodo pode ser substituído por um CURTO-CIRCUITO. Quando está no estado BLOQUEADO o diodo pode ser substituído por um CIRCUITO-ABERTO.

10 10 Exemplo Quais lâmpadas estão acesas e quais estão apagadas? Resp: Apenas L3

11 11 Utilização da tensão alternada + Voltagem alternada i i CIRCUITO ELETRÔNICO Aplicando diretamente a voltagem alternada a um circuito eletrônico, a corrente elétrica também seria alternada, significando que ora a corrente é fornecida através de um dos terminais, ora é fornecida pelo outro terminal. Contudo isto não é aceitável pelas cargas eletrônicas. Nestas cargas, a tensão/corrente deve ter polaridade fixa. Por isso, muitos equipamentos utilizam fontes de tensão, que além de ajustar o nível da voltagem, também a transformam para contínua.

12 12 Aplicação - Retificadores APLICAÇÃO PARA OS DIODOS Circuito Retificador A maioria das aplicações e dos equipamentos eletrônicos funciona em tensão contínua. No entanto o que temos disponíveis nas tomadas é tensão alternada. Assim, é preciso CONVERTER a tensão alternada em contínua. O circuito que faz essa conversão é composto por diodos e são chamados de retificadores. Para converter a tensão alternada em contínua, precisamos corrigir dois aspectos: 1) A polaridade 2) Forma de onda

13 13 Diodo em Corrente Alternada O diodo funciona como uma catraca para os elétrons, permitindo a corrente circular somente em um sentido. No momento em que inicia o semi-ciclo positivo da tensão alternada de entrada, o diodo encontrase polarizado diretamente. O semi-ciclo completo, não encontrando obstáculos no diodo, é transferido à carga. No momento em que inicia o semi-ciclo negativo da tensão de entrada, o diodo encontra-se polarizado reversamente. A corrente é bloqueada e a tensão na carga é NULA. Toda a tensão fica retida nos terminais do diodo.

14 14 Aplicação - Retificadores

15 15 Aplicação - Retificadores Voltagem disponível para a carga após o circuito com 4 diodos Onde: V retif. V 2 p V retif. = tensão média contínua V p = valor de pico da tensão alternada π = pi (3,14) Note que agora temos uma polaridade fixa vista pela carga, pois considerando os dois terminais da carga, a corrente sempre entra pelo mesmo terminal. Entretanto, a tensão ainda tem o aspecto de meio ciclo de uma senóide, o que não é bom para a carga, pois como pode ser notado, o valor da tensão oscila entre um máximo e zero. A forma de onda ideal para a carga é um valor contínuo.

16 16 Aplicação - Retificadores SEM CAPACITOR CAPACITOR PEQUENO CAPACITOR INTERMEDIÁRIO CAPACITOR GRANDE

17 17 Aplicação - Retificadores Para melhorar a forma de onda, inserimos um capacitor em paralelo com a carga. C T Valor do capacitor a ser inserido I V máx ond onde: V ond Diferença entre V máx (tensão de pico do alternada) e V mín desejado I máx Corrente máxima na carga T Período aproximado da descarga do capacitor C = Valor da capacitância

18 18 Exemplo Considerando o circuito abaixo, determine o valor da capacitância para que a tensão mínima na carga seja de 10V 9VRMS 60Hz i = 500mA V V V max min ond V pico 10V 12, V RMS 2,72V 12,72V C R Vmax C T I V máx ond C 0, F 2,72 Vmin 1 períododa onda original f 16,66ms T 8, 33ms 2 2 2

19 19 Fontes lineares BLOCO 1 - Transformador: Sua função é reduzir o nível de tensão disponível nas tomadas (127V ou 220V) para níveis compatíveis com os equipamentos eletrônicos. BLOCO 2 - Retificador: Transforma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC) pulsante. BLOCO 3 - Filtro: Converte a tensão contínua pulsante vinda do retificador em contínua com menor ondulação. BLOCO 4 - Estabilizador: Tem a função de transformar a tensão contínua com ondulação em tensão contínua pura, ideal para equipamentos eletrônicos.