Análise de Circuitos com Díodos

Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica 1 Análise de Circuitos com Díodos Teresa Mendes de Almeida TeresaMAlmeida@ist.utl.pt DEEC Área Científica de Electrónica T.M.Almeida IST-DEEC- ACElectrónica Matéria 2 Semicondutores Díodo de junção PN Característica V-I Modelos lineares por troços díodo ideal díodo ideal com fonte de tensão díodo ideal com fonte de tensão e resistência Análise de circuitos com díodos Circuitos lógicos Circuitos limitadores Díodo Zener Circuitos rectificadores Exemplos de aplicação

Semicondutores 3 Dispositivos electrónicos modernos circuitos integrados, díodos, transístores produzidos com materiais semicondutores Silício (Si) - o mais utilizado Germânio (Ge) Material Semicondutor tem propriedades eléctricas especiais mecanismo de circulação das cargas não pode ser explicado como nos condutores/isoladores não é um bom condutor de corrente eléctrica (como o Cu ou o Al) não é um isolante (como a borracha ou o plástico) capacidade de formar cristais com propriedades eléctricas especiais cada átomo partilha 4 electrões de valência com átomos vizinhos estrutura entrelaçada (ligações covalentes) muito estável cristal corrente eléctrica: movimento de electrões e de lacunas Semicondutores 4 Intrínseco (puro) lacunas - criadas por electrões que se libertam das ligações covalentes nº de lacunas = nº electrões livres Exemplo (T A ) Si: n i = p i = 1,5 10 19 portadores/m 3 1cm 3 : 10 22 átomos 10 12 átomos a mais do que portadores Ge: n 19 3 i = p i = 2,4 10 portadores/m condutor de Cu: 8,4 10 28 portadores/m 3 Extrínseco (impuro) equilíbrio entre nº de portadores é deliberadamente alterado introduzidos átomos de impurezas no cristal (grupos III e V) Material tipo N predominam electrões dopado com antimónio, arsénio, fósforo Material tipo P predominam lacunas dopado com alumínio, boro, gálio, índio n i = p n p = n = p i 2 2 i i

Díodo de Junção PN 5 Junção PN união entre materiais tipo P e N região onde materiais são unidos junção PN processo de fabrico cria zona de transição entre 2 tipos de materiais Díodo de Junção PN P N Análise simplificada do funcionamento do díodo comporta-se como um interruptor direccional deixa passar corrente num sentido não permite passagem de corrente em sentido contrário i D > 0 i = 0 Díodo de Junção PN 6 Há vários tipos de díodos LED díodo emissor de luz emite luz quando em condução (passa corrente) fotodíodo conduz quando há luz incidente díodos usados como condensadores de capacidade variável Aplicações circuitos lógicos funções lógicas (AND, OR) limitadores limitam sinais a determinados valores máximos e/ou mínimos circuitos de protecção rectificadores rectificam sinal alternado conversão AC DC

Característica Tensão-corrente 7 Característica V-I é não-linear i D + v D - Podem considerar-se três zonas de funcionamento Zona directa v D > 0 i D > 0 Zona inversa -V MAX < v D < 0 i D 0 Zona de disrupção (breakdown) v D < -V MAX i D < 0 Característica Tensão-corrente 8 Equação do díodo I S corrente de saturação (~10-15 A) n coeficiente de emissão (1 n 2) n=1 circuito integrado n=2 componentes discretos V T tensão térmica (25mV @ 20ºC) k constante Boltzmann (1,38 10-23 J/K) T temperatura absoluta (K=ºC+273) q carga electrão (1,6 10-19 C) vd nvt id = IS e 1 V T k T = q Zona directa v D >> nv T i D I e S vd nv T Zona inversa i D I S

Característica Tensão-corrente 9 Dependência com a temperatura I S corrente de saturação duplica por cada variação T = +5ºC V T tensão térmica para corrente constante v D diminui 2mV por cada T = +1ºC sensibilidade à temperatura usada para construir termómetros V T k T = q vd nvt id = IS e 1 Análise de circuitos com díodos em muitas situações não se usa a característica I-V exponencial utilizam-se modelos lineares por troços em cada troço podem usar-se técnicas de análise de circuitos lineares aproximações válidas nas diferentes zonas de funcionamento Modelos lineares por troços 10 Modelo de DÍODO IDEAL i D 2 estados possíveis ON / OFF ON díodo conduz + v D - díodo substituído por curto-circuito v D = 0 i D > 0 valor da corrente é determinado pelo resto do circuito onde díodo está inserido v D = 0 + - i D > 0 OFF díodo cortado díodo substituído por circuito aberto i D = 0 v D < 0 valor da tensão é determinado pelo resto do circuito v D < 0 + - i D = 0

Modelos lineares por troços 11 Modelo com FONTE DE TENSÃO 2 estados possíveis ON / OFF ON díodo conduz díodo substituído por fonte de tensão v D = V D0 i D > 0 i D + v D - valor da corrente é determinado pelo resto do circuito onde díodo está inserido OFF díodo cortado díodo substituído por circuito aberto i D = 0 v D < V D0 valor da tensão é determinado pelo resto do circuito V D0 + - i D > 0 v D < V D0 + - i D = 0 Modelos lineares por troços Modelo com FONTE DE TENSÃO e RESISTÊNCIA 2 estados possíveis ON / OFF ON díodo conduz díodo substituído por fonte de tensão em série com resistência v D = V D0 + R D i v D D vd RD = i i D > 0 id i D valor da corrente é determinado pelo resto do circuito onde díodo está inserido 12 OFF díodo cortado díodo substituído por circuito aberto i D = 0 v D < V D0 + - v D < V D0 valor da tensão é determinado pelo resto do circuito i D = 0

Exemplo de aplicação 13 Calcular a corrente que percorre o circuito considerando o modelo do díodo ideal substituir díodo por modelo ideal Díodo conduz? Hipótese: considerar díodo ON e calcular i D 5 = = 5mA > 0 1k como i D > 0, confirma-se a hipótese feita, de considerar díodo em condução Hipótese: considerar díodo OFF e calcular v D I D VD = 5V > 0 como v D > 0, não se confirma a hipótese de díodo cortado díodo ON Circuitos lógicos 14 Realizar funções lógicas circuitos com resistências e díodos níveis lógicos correspondem a tensões díodo substituído por modelo ideal ON curto-circuito (i D >0) OFF circuito aberto (v D <0) A = 0 V = 0V A = 1 V = 5V A A Função AND (E lógico) A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Y Função OR (OU lógico) A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 = A B Y = A + B

Exemplos de aplicação 15 Calcular I e V usando modelo de díodo ideal considerar hipótese de díodo ON/OFF fazer a análise do circuito validar a hipótese feita ON confirmada se i D > 0 OFF confirmada se v D < 0 Circuitos Limitadores 16 Limitam a tensão de saída limitador duplo limita tensão inferiormente e superiormente limitador simples limita tensão inferiormente ou superiormente v o v o v MAX v MAX v MIN v i v i são circuitos de protecção não deixam que tensão de entrada de outro circuito ultrapasse determinado valor máximo/mínimo

Circuitos Limitadores 17 Limitador simples limita inferiormente a tensão de saída análise do circuito considerar para o díodo o modelo com fonte de tensão (V D0 =0,7V) Hipótese: díodo ON VD 0 + vi KVL : VD 0 + RiD + vi = 0 id = R i > 0 V + v < 0 v < V v < 0,7V D D0 I I D0 I v = v = V = 0.7V O D D0 díodo ON díodo OFF v O -0,7V v I Díodo OFF v > 0,7V v = v I O I v I v O t Circuitos Limitadores 18 Característica de transferência v O (v I ) análise do circuito foi feita considerando para o díodo o modelo com fonte de tensão (V D0 =0,7V)

Exemplos de aplicação 19 Determinar a característica de transferência -5V < v I < +5V a) modelo ideal b) modelo com fonte de tensão (V D0 =0,6V) Díodo Zener 20 Na zona de disrupção (breakdown) característica é praticamente vertical tensão é aproximadamente constante díodo a funcionar na zona de disrupção pode ser usado para obter uma tensão constante Díodo Zener especialmente concebido para funcionar na zona de disrupção tem aplicação como regulador de tensão mantém tensão praticamente constante aos seus terminais independentemente da corrente a entregar à carga da variação nas tensões de alimentação v D i D pode estar a funcionar em qualquer das 3 regiões directa, inversa ou de disrupção em cada uma das zonas usa-se um modelo linear que aproxima díodo real

Díodo Zener 21 Modelos para o Díodo Zener ON (zona directa) i D > 0 v D > V D0 usar um dos modelos já considerados para o díodo v D i D OFF (zona inversa) i D = 0 -V Z < v D < V D0 circuito-aberto Zener (zona de disrupção) i D < 0 v D = -V Z -V Z tipicamente da ordem de dezena-centena de V ex.: 6,8V / 0,5W Exemplo de aplicação 22 Se V + varia (± 10%), a tensão entregue à resistência de carga R L também varia? considerando o díodo a funcionar na zona de disrupção (zener) modelo com fonte de tensão: v D = - V Z + V Z - i Z V = V = 6,8V I O V Z Z L = = RL + V V I R = R I = I I Z R L 6,8V R Z L

Circuitos Rectificadores 23 Rectificador bloco essencial na constituição das fontes de tensão conversão de sinais alternados em contínuos (AC DC) Tipos de rectificadores ½-onda onda completa positivos negativos Rectificador de ½-onda 24 Rectificador de ½-onda positivo Modelo D ideal Díodo ON Díodo OFF Rectificador de ½-onda negativo trocar a posição do díodo

Rectificador de ½-onda 25 Rectificador de ½-onda positivo considerando díodo com modelo com fonte de tensão e resistência Rectificador de onda completa 26 Rectificador em ponte v S > 0 KVL: v D1 +v O +v D2 -v S = 0 v S < 0 KVL: v D3 +v O +v D4 +v S = 0 considerando modelo D com fonte de tensão: v O = v S 2V D0

Rectificador de onda completa 27 Rectificador com ponto médio no transformador v S > 0 KVL: v D1 +v O -v S = 0 usando transformador com ponto médio v O = v S V D0 Rectificadores 28 Rectificador com condensador substituir resistência do rectificador de ½-onda por um condensador quando o díodo corta, o condensador (se fosse ideal) manteria indefinidamente a carga armazenada tensão v O ficaria constante a seguir ao rectificador existe sempre uma carga R L condensador vai descarregar quando o díodo estiver cortado

Rectificadores 29 Detector de Pico acrescentado um condensador ao rectificador de ½-onda quando díodo conduz, condensadar carrega e v O v I quando díodo corta, condensador descarrega através de R v O (t) = V p e -t/τ escolha de τ = RC R=R L não se pode alterar escolha de C em função do período do sinal e da ondulação do sinal saída Rectificadores 30 Detector de Pico escolha da capacidade do condensador C elevado carga é muito lenta pode não acompanhar a variação da entrada C baixo descarga é muito rápida provoca muita ondulação (ripple) no sinal de saída calcular a ondulação da tensão de saída 6C 3C C considerar descarga aproximadamente linear (em vez de exponencial) admitir corrente de descarga constante (valor do início da descarga) tempo de descarga período do sinal (no rectificador de ½-onda) Detector de Pico com rectificador de onda completa ondulação é menor ( metade) porque tempo de descarga ( T/2) é menor