segunda aula
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Reflexões (J.S. Nobre) Seja alegremente um operário do BEM. Há um princípio muito acertado que diz: “Ninguém é tão pobre que não possa ajudar, nem tão rico que não venha a precisar.” Seja onde for, esteja onde estiver, você terá oportunidade de estender suas mãos para ajudar alguém. Haverá sempre alguém, pelas esquinas da vida, à espera de um favor seu. Todo ato de bondade, feito com verdadeiro sentido de amor, tem valor quase infinito. Às vezes, basta um simples sorriso seu para curar uma dor, cicatrizar uma ferida, alegrar um coração. Faça o BEM. Eletrônica de Potência Diodos Semicondutores de Potência; Capítulo 2, páginas 23 à 29; Aula 4; Professor: Fernando Soares dos Reis; Sumário 2.1 Capítulo 2 Introdução; 2.2 Curvas Características dos Diodos; Exemplo; 2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa; 2.1 Introdução O diodo age como uma chave para realizar várias funções, tais como: Chaves em Retificadores; Comutação em Reguladores Chaveados; Inversão de carga em capacitores; Transferência de energia entre componentes; Isolação de tensão; Realimentação de energia da carga para a fonte de alimentação; Recuperação de Energia armazenada; 2.2 Curvas Características dos Diodos O diodo de Potência é um dispositivo de junção PN de dois terminais. Esta junção é normalmente formada por fusão, difusão e crescimento epitaxial. Diz-se que o diodo está diretamente polarizado quando... e reversamente quando... D1 Ânodo p n + v - Cátodo Ânodo Cátodo + v - 2.2 Curvas Características dos Diodos Quando ele esta reversamente polarizado flui uma corrente de fuga (leakage current) na faixa de micro e miliamperes; Tensão de avalanche, ou tensão Zener, é atingida. Ânodo i Real VBR Corrente reversa de fuga p n Cátodo i + vD - v v Equação do diodo Schockley ID IS ( e VD nVT Ideal 1) 2.2 Curvas Características dos Diodos ID = corrente através do diodo, em A; VD = tensão do diodo; Is = corrente de fuga (ou de saturação reversa) da ordem de 10-6 a 10-15 A; n = constante empírica conhecida como coeficiente de emissão ou fator de idealidade, cujo valor vária de 1 a 2; VT = tensão térmica (thermal voltage); i Real Ânodo Cátodo ID IS ( e VD nVT p 1) n VBR + vD - Corrente reversa de fuga v 2.2 Curvas Características dos Diodos kT VT q VT = tensão térmica (thermal voltage); q = carga do elétron: 1,6022 x 10-19 coulomb (C); T = temperatura absoluta em kelvin (K = 273 + oC) k = constante de Boltzmann: 1,3806 x 10-23 J/K Por exemplo, a 25 oC a tensão térmica, VT será de: kT 1,3806 x 1023 x ( 273 25 ) VT 25,8 mV 19 q 1,6022 x 10 2.2 Curvas Características dos Diodos 12 VT = 25,8 10-3 IS = 0,354 n = 7,819 10 8 ID IS ( e 6 IDi VD nVT 1) i Real 4 VBR Corrente reversa de fuga 2 0 2 5 4 3 2 V( i) 1 0 1 v 2.2 Curvas Características dos Diodos Região de polarização direta ID será muito pequena se a tensão aplicada for menor que a tensão de limiar (threshold voltage) ou tensão de corte (cutin voltage) ou tensão de ligamento (turn-on voltage). Assim, a tensão de limiar é aquela a partir da qual o diodo conduz completamente; Exemplo: Se VD = 0,1 V, n = 1 e VT=25,8 mV teremos: I D I S ( e nVT 1 ) I S ( e1x 0,0258 1 ) I S ( 48,23 1 ) VD I 48,23 I D S 0,1 com um erro de 2,1% I D I S ( e nVT 1 ) I S ( e nVT ) VD i Ânodo p Real n Cátodo VD + vD - VBR Corrente reversa de fuga v 2.2 Curvas Características dos Diodos Região de polarização reversa Ao aplicarmos tensões negativas ao semicondutor a corrente de fuga se mantém praticamente constante. Para tensões VD negativas e superiores em módulo a tensão VT, podemos dizer que ID é constante e igual a corrente de fuga IS. I D I S ( e nVT 1 ) I S VD i Ânodo Cátodo p Real n VBR + vD - Corrente reversa de fuga v 2.2 Curvas Características dos Diodos Região de ruptura reversa (breakdown region) A partir do instante em que a tensão reversa aplica entre os terminais de ânodo e cátodo do diodo ultrapassam o valor da tensão de ruptura reversa (breakdown voltage - VBR). A corrente reversa aumenta rapidamente para uma pequena variação na tensão reversa superior a VBR; A operação dentro da região de ruptura reversa não será destrutiva se a dissipação de potência estiver dentro de um nível seguro. i Real Ânodo Cátodo p n VBR + vAC - Corrente reversa de fuga v 2.3 Exemplo 2.1 A queda de tensão direta de um diodo de potência é VD = 1,2V a ID = 300 A. Supondo que n = 2 e VT = 25,8 mV, encontrar a corrente de saturação IS. i IS = Corrente reversa de fuga 300 I S ( e 1, 2 2 x 25,8 103 v ID IS ( e VD nVT 1) 1 ) 2,38371 x 10 8 A 2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa A corrente na junção diretamente polarizada do diodo deve-se ao efeito dos portadores majoritários e minoritários. Com a redução desta corrente a zero, o diodo continua conduzindo devido aos portadores minoritários que continuam armazenados na junção PN e no material semicondutor propriamente dito. Os portadores minoritários requerem um certo tempo para se recombinar com as cargas opostas e ser neutralizados. Esse tempo é chamado tempo de recuperação reversa (reverse recovery time) trr. Cparásito IF trr Ânodo Cátodo O trr é função da tempep n di ta ratura da junção, da tadt 0,25.IRR xa de decaimento da + vAC corrente direta e de If. tb IRR 2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa trr é medido a partir do cruzamento por zero da corrente do diodo até 25 % da corrente reversa máxima (ou de pico) IRR. ta deve-se ao armazenamento de cargas na região de depleção da junção. tb deve-se ao armazenamento de cargas no material semicondutor. A relação ta/tb é conhecida como fator de suavidade (softness factor - SF). trr = ta + tb IF di dt trr ta I RR di ta dt IF trr ta 0,25.IRR IRR tb Recuperação Suave (soft-recovery) IRR tb Recuperação Abrupta (fast-recovery) 2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa A carga de recuperação reversa Qrr é a quantidade de portadores de cargas que fluem através do diodo no sentido reverso devido à mudança na condição de condução direta para bloqueio reverso. Seu valor é determinado a partir da área abrangida pelo caminho de corrente de recuperação reverso. trr 1 1 QRR I RR t a I RR tb 2 2 1 QRR I RR t rr 2 2 QRR I RR t rr IF di dt ta QRR IRR tb 2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa Determinação de trr e IRR; Sabemos que: I RR di ta dt t rr 2 QRR di dt I RR 2 QRR t rr t a di dt IF Se tb ta ; trr ta IRR I RR di dt 2 QRR t rr trr ta tb 2 QRR di dt Exemplo 2.2 O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 3 s e a taxa de decaimento da corrente é de 30 A/s. Determinar a carga armazenada QRR e a corrente reversa de pico IRR. 2 QRR di dt t rr QRR IF IRR di dt trr ta tb di 2 1 t rr 0,5 x 30 A / s x (3 x 10 6 ) 2 135 C 2 dt I RR 2 QRR di 2 x 135 x106 x 30 x106 90 A dt Problema 2.1 O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 5 s e a taxa de decaimento da corrente é de 80 A/s. Se o seu fator de suavidade é SF = 0,5. Determinar (a) a carga armazenada QRR e (b) a corrente reversa de pico IRR. trr A relação SF = ta/tb é conhecida como fator de suavidade IF IRR di dt ta tb Problema 2.2 Os valores abaixo foram obtidos de forma experimental em um diodo à temperatura de 25 oC. trr VD = 1,0 V a ID = 50 A IF di dt ta VD = 1,5 V a ID = 600 A IRR tb Determinar (a) o coeficiente de emissão n e (b) a corrente de fuga Is .
