Física dos Semicondutores e Diodos

Eletrônica Básica
1. Teoria Básica dos Semicondutores.
2. Diodo de Junção PN.
3. Complementos.
4. Diodos Especiais
5. Circuitos com Diodo.
6. Transistores.
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Eletrônica Básica
1. Teoria Básica dos Semicondutores
1.1 Estrutura da matéria
A maioria das substâncias presentes na natureza é formada pela combinação
de outras, isto é, são compostos. Um exemplo comum é a água, formada por
hidrogênio e oxigênio, os quais individualmente apresentam propriedades
bastante distintas do composto.
Entretanto, tanto o hidrogênio como o oxigênio não admitem decomposição
em outras substâncias e, por isso, são chamados elementos. Existem cerca
de 100 elementos conhecidos e todas as substâncias na natureza são
combinações deles. E as substâncias diferem uma das outras pelas diferentes
combinações de elementos, em seus tipos e/ou proporções.
Uma porção qualquer de um determinado elemento não pode ser subdividida
indefinidamente. Há uma partícula elementar a qual, se subdividida, faz o
elemento perder suas características. Esta partícula é chamada átomo.
Assim, cada elemento se caracteriza por ter uma estrutura atômica própria.
A formação de um composto ocorre de maneira organizada. Cada elemento
contribui com um determinado número de átomos para formar uma partícula
maior, chamada molécula, que caracteriza o composto. Portanto, de forma
similar ao átomo do elemento, a molécula é a menor porção possível de um
composto. Se subdividida, ele perde suas características.
O átomo, por sua vez, é formado por três as partículas fundamentais: prótons,
nêutrons e elétrons (na realidade existem mais).
Os prótons estão sempre presentes no núcleo e têm carga elétrica positiva.
Os nêutrons podem estar ou não presentes no núcleo e não têm carga
elétrica. Sua massa é próxima da do próton.
Os elétrons estão sempre nas órbitas e têm carga elétrica negativa, mas de
magnitude igual à do próton. Sua massa é cerca de 1/1840 da massa do
próton.
O número de prótons no núcleo é chamado número atômico e é
característica única de cada elemento. Elementos diferentes têm sempre
números atômicos diferentes.
A Fig 1 abaixo dá o esquema simplificado de um átomo de lítio. Prótons são
indicados em vermelho, nêutrons em cinza e elétrons em azul.
2
O número atômico do lítio é 3 e, portanto, existem 3 prótons no núcleo.
Normalmente, o número de elétrons é igual ao número de prótons. Assim, a
carga elétrica total do átomo é nula.
Em algumas situações, o átomo poderá perder ou ganhar elétrons, isto é, ficar
positivamente ou negativamente carregado. Nessas condições, ele é dito ser
um íon positivo ou um íon negativo.
Níveis de Energia
A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo
não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos
os elementos.
Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua
distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade.
A soma de ambas é a energia total do elétron.
Aqui não cabe consideração mais profunda sobre a teoria quântica. Esta diz
em linhas gerais que os estados da matéria não variam continuamente, mas
sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático
isto não é perceptível, pois os valores são muitos pequenos. Mas os elétrons
são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais
intervalos.
Assim, a energia total que o elétron pode ter é definida em valores discretos
e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia.
Os níveis possíveis são sete e o número máximo de elétrons por camada e
estão representados na Fig 2.
3
O nível mais externo é chamado de nível/camada de valência e os elétrons
presentes nele são os elétrons de valência.
O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele
define a capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar
com outros elementos.
Muitas das propriedades químicas e elétricas dependem da valência.
Os elétrons de valência por estarem mais distantes do núcleo são os que
podem se libertar mais facilmente do átomo, enquanto os elétrons dos níveis
inferiores, uma vez completas não cedem nem recebem elétrons, logo os
elétrons de valência são os únicos em condições de participarem de
fenômenos químicos ou elétricos.
Um átomo é estável quando apresenta a última camada completa, ou seja, a
primeira camada possui 2 elétrons e as demais no mínimo 8 elétrons, veja
figura 3 abaixo para melhor exemplificar.
Eletrovalência: Quando um dos átomos doar definitivamente um elétron ao
átomo vizinho, e o outro receber o mesmo definitivamente.
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1.2 Condutores, Isolantes e Semicondutores
Para que um material conduza eletricidade, é necessário que os elétrons de
valência, sob ação de um potencial elétrico aplicado, saltem do nível de
valência para um nível ou banda de condução.
Conforme Fig 5, em um material condutor não existem níveis ou banda de
energia proibida entre a condução e a valência e, portanto, a corrente flui
facilmente sob a ação do campo elétrico.
Já um material isolante tem uma larga banda proibida entre a valência e
condução. E dificilmente haverá condução da corrente.
Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermediárias.
Isto significa que podem apresentar alguma condução, melhor que os
isolantes, porém pior que os condutores.
Os principais semicondutores utilizados são o Germânio (Ge) e o Silício (Si).
Consideramos agora o Silício, que é o semicondutor mais usado e tem 4
elétrons de valência.
No estado puro cada, par de elétrons de átomos distintos formam a chamada
ligação covalente, de forma que cada átomo fique no estado mais estável,
isto é, com 8 elétrons na camada externa.
O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme Fig 6. Na
realidade é tridimensional. Está assim mostrada por uma questão de
simplicidade.
O Germânio (Ge) possui K=2, L=8, M=18 e N=4.
Podemos notar que se aplicarmos uma tensão não haverá corrente, pois os
elétrons encontram-se presos as ligações de valência, não havendo elétrons
livres para a condução.
5
O material continua um semicondutor. Entretanto, quando certas substâncias,
chamadas impurezas são adicionadas, as propriedades elétricas são
radicalmente modificadas.
Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência, for
adicionado e alguns átomos deste substituírem o silício na estrutura cristalina,
4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício
e o excedente será liberado para o nível de condução (Fig 7).
O cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é
denominado semicondutor tipo n.
Notar que o material continua eletricamente neutro pois os átomos têm o
mesmo número de prótons e elétrons. Apenas a distribuição de cargas muda,
de forma a permitir a condução.
Agora a situação inversa conforme Fig 8.
Uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é
adicionada.
Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar
a falta no átomo da impureza, criando um buraco positivamente carregado no
nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo p, devido à carga
positiva dos portadores (buracos/lacunas).
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2. Diodo de Junção PN
2.1 Introdução
A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtém-se uma junção pn, que é
um dispositivo de estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção
Figura 9
Devido a repulsão mútua os elétrons livres do lado n espalham-se em todas
direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando
isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado
negativamente. (um íon negativo)
Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. À medida
que o número de íons aumenta, a região próxima à junção fica sem elétrons
livres e lacunas.
A camada de carga espacial (CCE) age como uma barreira impedindo a
continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade desta camada aumenta
com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio.
Figura 10
A diferença de potencial através desta camada é chamada de barreira de potencial.
A uma temperatura de 25º, esta barreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para o
germânio.
7
Símbolo
Figura 11
Como visto anteriormente, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar
buracos na parte P, deixando esta com um potencial negativo e a parte N com
um potencial positivo e, assim, formando uma barreira potencial Vo. Assim, a
polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos
na parte P (Fig 12 a)·Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme Fig
12b, potencial de barreira será quebrado e a corrente elevada, pois existem
muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está diretamente polarizada.
No caso de inversamente polarizada, Fig12 C, o potencial de barreira será
aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a corrente será
pequena.
8
A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da
tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.
Figura 13
Notar que, acima de um pequeno valor de polarização direta, a corrente aumenta
bastante, na realidade de forma exponencial, dada por:
I = I0 (eeV/kT - 1). Onde I0 é a corrente de saturação, e a carga do elétron, k a
constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta.
A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado valor ocorre um efeito de
ruptura, quebrando a barreira de potencial e a corrente sobe quase na vertical. Isso
é usado em diodos reguladores de tensão (diodos zener) por exemplo.
2.2 Potência de um Diodo
Em qualquer componente, a potência dissipada é a tensão aplicada multiplicada
pela corrente que o atravessa e isto vale para o diodo:
P =U*I
Não se pode ultrapassar a potência máxima, especificada pelo fabricante, pois
haverá um aquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potência
máxima ou corrente máxima suportada por um diodo.
Ex.: 1N914 è PMAX = 250mW
1N4001 è IMAX = 1A
Usualmente os diodos são divididos em duas categorias, os diodos para pequenos
sinais (potência especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX > 0,5W).
9
2.3 Resistor Limitador de Corrente
Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tensão aplicada pode gerar uma
alta intensidade de corrente. Em geral um resistor é usado em série com o diodo
para limitar a corrente elétrica que passa através deles.
RS é chamado de Resistor limitador de corrente.
Quanto maior o RS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS
2.4 Reta de Carga
Sendo a curva característica do diodo não linear, torna-se complexo determinar
através de equações o valor da corrente e tensão sobre o diodo e resistor. Um
método para determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo, é o uso
da reta de carga.
Baseia-se no uso gráfico das curvas do diodo e da curva do resistor.
A corrente I através do circuito é a seguinte:
No circuito em série a corrente é a mesma no diodo e no resistor. Se forem dados a
tensão da fonte e a resistência RS, então são desconhecidas a corrente e a tensão
10
sob o diodo.
Se, por exemplo, no circuito ao acima o US =2V e RS = 100Ω, então:
2 − UD
I=
= − 0,01*U D + 20ma
100
Podemos perceber uma relação linear entre a corrente e a tensão ( y = ax + b).
Devemos encontrar 2 pontos da reta de carga para podermos determiná-la,
utilizaremos :
vPonto de Saturação
vPonto de Corte
Ponto de Saturação: esse ponto é chamado de ponto de saturação, pois é o
máximo valor que a corrente pode assumir.
UD=0V I=20mA
Ponto de Corte: esse ponto é chamado corte, pois representa a corrente mínima
que atravessa o resistor e o diodo.
I=0 A UD=2V.
Sobrepondo esta curva com a curva do diodo tem-se:
Figura 15
2.5 Efeitos da Temperatura
A temperatura pode ter efeito marcante sobre as características de um diodo
semicondutor de silício, como demonstrado com um diodo de silício visto na Figura
16. Conclui-se experimentalmente que:
11
A corrente de saturação reversa Is terá sua amplitude praticamente dobrada para
cada aumento de 100 C na temperatura.
Um diodo de germânio, com Is na ordem de I ou 2µA em 25°C, pode apresentar uma
corrente de fuga de IOOµA = 0,1 mA, a uma temperatura de 100°C. Níveis de
corrente dessa magnitude na região de polarização reversa certamente
questionariam a condição desejada de circuito aberto na região de polarização
reversa. Valores típicos de Is para o silício são muito mais baixos que para o
germânio para níveis similares de corrente e potência, conforme mostra a figura 16.
3. Complementos
3.1 Valor Médio de Tensão e Corrente de um Sinal Periódico.
Consideremos a função periódica representada na Fig. 16, cuja a expressão vem
relacionada a seguir:
Fig. 16
12
Esta expressão matemática representa o valor médio de uma grandeza periódica
qualquer (tensão ou corrente por exemplo).
Exemplos:
Dadas as figuras abaixo, qual é o valor médio da forma de onda representadas:
13
3.2 Valor Eficaz de Tensão e Corrente de um Sinal Periódico
A figura 17 abaixo representa a forma de onda periódica (senoidal, no caso) uma
corrente denominada genericamente de IK.
Esta corrente circulou através de uma resistência R durante um intervalo de tempo t
dissipando, por conseguinte uma potencia P.
Fez-se circular pela mesma resistência R, durante o mesmo intervalo de tempo uma
corrente contínua I, e dissipou-se a mesma potência P obtida no caso anterior.
O que se pode dizer, é que o valor efetivo da corrente periódica IK deve ser igual ao
valor da corrente continua I. para que possamos obter nos dois casos 0 mesmo valor
de potência dissipada em R.
Ao valor efetivo da corrente lK, denominamos de corrente RMS, ou simplesmente
corrente eficaz
A potência dissipada no resistor no intervalo de tempo (t2 – t1) é dada pela seguinte
expressão matemática:
14
No mesmo intervalo de tempo, t2-t1,=T, passou pelo resistor R uma corrente contínua
I, cuja forma de onda está representada abaixo.
A potência dissipada no resistor R, é dada por:
P= R I2
Sendo IK
= Imáx senθ
Teremos que:
I ef =
I máx
2
Analogamente podemos calcular o valor eficaz da tensão.
Vef =
Vmáx
2
4. Diodos especiais
4.1. DIODO ZENER
A partir de um certo valor de tensão aplicada ao diodo, haverá choques dos elétrons
livres com elétrons das ligações covalentes, com possível retirada desses elétrons.
Ocorrerá um efeito multiplicativo, aumentando consideravelmente o número de
elétrons disponíveis para a condução de corrente. Esse efeito, chamado avalanche,
faz com que a corrente aumente rapidamente para qualquer novo acréscimo de
tensão reversa aplicada ao diodo.
Se ambos os lados da junção forem muito dopados, a região de depleção será
estreita. Isso faz com que os elétrons não tenham condições de ganhar energia
cinética suficiente para retirada de outros elétrons das ligações covalentes.
15
Porém o próprio campo elétrico pode retirar os elétrons, fazendo com que haja um
aumento considerável da corrente para qualquer novo acréscimo de tensão.
Esse mecanismo chama efeito ZENER. Existem diodos especiais que sustentam a
condução no sentido reverso sem se danificarem. Os diodos zener e de avalanche
são exemplos desses dispositivos,É um diodo construído especialmente para
trabalhar na tensão de ruptura.
Seu comportamento é o de um diodo comum quando polarizado diretamente.
Quando polarizado inversamente ao contrário de um diodo convencional, ele suporta
tensões reversas próximas a tensão de ruptura, vide figura 18.
Figura 18
Graficamente é possível obter a corrente elétrica sob o zener com o uso de reta de
carga.
Figura 19
16
Ponto de corte – I=0 e VDZ = -VS
Ponto de saturação ---- Max corrente I = -VS/RS
REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER
Objetivo: manter a tensão sobre a carga constante e de valor Vz.
Cálculo do resistor de carga RS:
Garante a corrente mínima para a carga:
Garante que sob o Zener não circule uma corrente maior que IZMAX
Exemplo:
Um regulador Zener tem uma tensão de entrada de 15V a 20V e a corrente de carga
de 5 a 20mA. Se o Zener tem VZ=6,8V e IZMAX=40mA, qual o valor de RS?
17
4.2 Diodos schottky
Diodos de metal e semicondutor atuais, chamados diodos schottky, são obtidos pela
deposição, por evaporação ou por meios químicos, de uma camada metálica sobre a
superfície de um semicondutor. Normalmente há uma camada de óxido na borda
para evitar alguns efeitos indesejáveis do campo elétrico mais intenso nesta parte
O principal destaque do diodo schottky é o menor tempo de recuperação, pois não
há recombinação de cargas do diodo de junção.
Outra vantagem é a maior densidade de corrente, o que significa uma queda de
tensão direta menor que a do diodo comum de junção. A contrapartida é uma
corrente inversa maior, o que pode impedir o uso em alguns circuitos.
São usados principalmente em circuitos de alta freqüência, de alta velocidade de
comutação podendo trabalhar em freqüências da ordem de 70GHz.
A tensão de início de condução depende dos materiais escolhidos na fabricação do
diodo, podendo variar de 0,25 a 0,75volts.
4.3 Diodos emissores de luz (led)
Ao passar por uma junção PN, elétrons sofrem transições de níveis de energia e, de
acordo com princípios da física quântica, devem emitir alguma radiação.
Semicondutores de germânio, de silício e outros comuns não emitem radiação
visível. Mas esta é emitida por alguns semicondutores de compostos químicos,
como arsenieto de gálio, fosfeto de gálio e índio, etc. Leds são simplesmente diodos
de semicondutores desses tipos envolvidos em embalagem translúcida.
O diodo led deve ser diretamente polarizado para emitir luz. A figura abaixo dá um
circuito básico.
18
Para a determinação de R uma vez conhecido V, podemos supor corrente máxima
de 20 mA e tensão no diodo de 2 a 2,5 volts.
A tensão inversa máxima da maioria dos leds é pequena, de forma que uma
inversão de polaridade com alguns volts pode ser suficiente para danificar.
A cor da luz emitida depende do material utilizado no cristal e também do nível de
dopagem.
Os LEDs suportam no máximo 2V / 20 mA.
4.4 DIODO TUNNEL
Para correntes cujos valores estão compreendidos entre Iv e Ip, podemos obter o
mesmo valor de corrente para 3 diferentes valores de tensão aplicada. Esta
característica de valores múltiplos faz com que o diodo-túnel seja útil em circuitos de
pulso digitais.
Outra aplicação é como chave, operando em velocidade muito altas, como o
tunelamento ocorre à velocidade da luz.
Vantagens: baixo custo, baixo ruído, simplicidade de fabricação, alta velocidade(o
tempo de chaveamento é da ordem de Nanossegundos ), imunidade ao meio
ambiente e baixa potência.
Desvantagens: baixa variação na tensão de saída e o fato de ser um dispositivo
com dois terminais, com isso não existe isolação entre a entrada e a saída,
provocando assim sérias dificuldades em projetos de circuitos.
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4.5 VARICAP
Os VARICAPS são diodos otimizados para trabalharem em polarização reversa,
apresentando maiores variações de capacitância, em função do potencial reverso
aplicado.
Para baixas freqüências são fabricados com silício, sendo usado a arsenieto de gálio
para freqüências mais elevadas.
A figura a seguir mostra o comportamento da capacitância em função da
polarização e o símbolo do diodo varicap.
4.6 FOTODIODO
A incidência de energia luminosa numa junção PN libera elétrons da camada de
valência para a camada de condução.
A corrente reversa de um diodo é devido a movimentação de portadores minoritários
que surgem em ambos os lados da junção.
Em um fotodiodo, a corrente reversa é controlada através da incidência da luz na
junção, através de encapsulamentos especiais.
5. Circuitos com Diodo
5.1 Retificador de Meia Onda carga resistiva
O retificador de meia onda converte a tensão de entrada (VS ) ca numa tensão
pulsante positiva VL.
Este processo de conversão de AC para cc, é conhecido como “retificação”.
Figura 5.1
20
Quando tivermos no ánodo do diodo, uma tensão positiva em relação a aplicada ao
cátodo, ele passará a conduzir, isto é o que ocorre durante o semiciclo positivo da
tensão secundária.
Durante este semiciclo, teremos corrente circulando pela carga, e no diodo teremos
uma queda de tensão que será da ordem de 0,6 volts quando for de material silício,
e 0.3 volts quando de germânio.
No próximo semiciclo, semiciclo negativo da tensão de secundário, teremos que o
diodo não conduzirá, por estar inversamente polarizado, estando seu ánodo em um
potencial negativo em relação ao cátodo.
Dessa forma, neste meio ciclo, não haverá corrente circulando pela carga, e a
tensão existente no secundário do transformador ficará detida nos terminais do
diodo que deverá suportá-la.
Valor médio da tensão na carga
VL= vMÁX/π
Valor médio da corrente na carga
Id= IMÁX/π
Valor eficaz da tensão na carga
VRef = VMÁX/2
Valor eficaz da corrente na carga e no diodo
Ief= IMÁX/2
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O diodo a ser utilizado deverá ter as seguintes características:
Idc> IMÁX/π e VR > VMÁX ou Vpico
5.2 Circuito com ponto neutro – Onda Completa – Carga Resistiva
Inicialmente veremos como se comporta o secundário de um transformador com
ponto neutro.
Fig. 5.4
Quando tivermos os potenciais iguais pontos 1, 2 e A o observador verá em relação
a ela o potencial + no ponto 1 e potencial negativo no ponto 2 é devido a isto que as
formas de onda de tensão VS1 e VS2 são invertidas, ou seja defasadas de 180°.
Quando muda a polaridade da tensão da tensão de entrada, o ponto 1 passa a ser
negativo e o ponto 2 positivo em relação ao observador (ponto A), desta maneira a
forma de onda das tensões VS1 e VS2 será representada na figura 5.5.
22
Logo podemos concluir que as formas de onda de VS1 e VS2 serão no domínio do
tempo, apresentadas na figura 5.6.
Para que VS1 e VS2 tenham a mesma amplitude é necessário que o ponto de neutro
divida o secundário em igual número de espiras.
Retornando no retificador apresentado na figura 5.8.
23
Quando VS1 estiver no semiciclo positivo, o diodo D1 estará com seu ánodo positivo
de tal maneira que conduzirá como mostra a figura 5.8.
No mesmo instante em que Vs1 é positivo, Vs2 é negativo e este potencial está
sendo aplicado no ánodo do diodo D2. Devido a este motivo o diodo se comporta
como um circuito aberto, não conduzindo.
Quando Vsl passa a ser negativo, este potencial é aplicado ao diodo Dl que passa a
se comportar como circuito aberto. Neste mesmo instante o potencial de Vs2 é
positivo e está sendo aplicado no ánodo do diodo 02 que passará a conduzir como
mostra a figura 5.9.
Pode-se notar que cada diodo conduz somente meio ciclo de onda, exatamente
igual ao retificador de meia onda, e sobre a carga a corrente sempre circula em um
mesmo sentido de tal maneira que temos na carga tensão e corrente contínua
pulsante.
É interessante observar que a tensão reversa sobre cada diodo é o dobro da tensão
de pico que aparece em cada metade do secundário.
24
25
A tensão sobre a carga é uma tensão contínua pulsante e tem:
Valor médio VDC = 2 Vmáx/π
Valor eficaz
Para se dimensionar os diodos necessitamos do valor médio da corrente direta que
circulará por eles e de sua tensão reversa máxima.
IDC= Imáx/π e VR=2Vmáx
Logo os diodos D1 e D2 devem possuir:
Corrente média > Imáx/π
Tensão reversa > 2 Vmáx
5.3 Onda completa em ponte – Carga resistiva
26
No instante em que temos Vs positivo, ou seja, ponto 1 positivo em relação ao ponto
2, os diodos D2 e D4 conduzem (ficam em série), pois as tensões que aparecem
sobre eles propicia tal efeito.
Quando VS inverte a polaridade, o ponto 1 será negativo em relação ao ponto 2,
devido a estes potenciais os diodos D1 e D3 conduzem (ficam em série).
Mesmo mudando a polaridade a corrente circula na carga sempre no mesmo
sentido, assim como a tensão VL.
27
Figura 5.12
A tensão e corrente média sobre a carga são as mesmas do retificador de onda
completa com ponto neutro, ou seja:
VDC = 2 Vmáx/π
Para se dimensionar os diodos necessitamos do valor médio da corrente direta que
circulará por eles e de sua tensão reversa máxima.
IDC= Imáx/π e VR=Vmáx
Logo os diodos devem possuir:
Corrente média > Imáx/π
Tensão reversa > Vmáx
5.4 Fator Ripple
Definição:
Valor eficaz da ondulação
Vac valor eficaz da tensão de ondulação
Retificador de meia onda carga resistiva
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Logo o fator Ripple da onda será:
γ =
Vac
0,3856Vmáx
x100 =
x100
Vmáx
Vdc
π
γ = 1,2x100=120%
Retificador de onda completa carga resistiva (tanto para derivação central e
ponte)
γ=48%
5.5 Características dos retificadores utilizados (carga resistiva)
Podemos verificar que a melhor retificação seria obtida se utilizássemos em Ponte.
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Exercício 1
Dado o retificador em ponte abaixo e sabendo-se que a especificação do diodo
indica 5 A/1200V.
Isto quer dizer que a corrente Idc (média) sobre o diodo pode ser 5 A (no máximo) e a
tensão máxima de pico inversa admissível sobre o diodo é 1200V.
Pede-se calcular a máxima potência contínua (Pdc) que pode ser extraída da ponte
quando estiver sendo alimentada pela tensão de rede de 220V, considerar que
Vp=Vs. VP tensão no primário, VS tensão no secundário.
Resolução:
Pdcmax=Vdc*Idc, onde Vdc=2Vmáx/π (tensão máxima na carga)
Sendo a máxima corrente em cada diodo 5 A, a corrente média na carga será o
dobro da corrente média que circula na carga em cada par de diodos.
Idccarga=2*Idc
Logo:
Pdcmax=(2Vmáx/π)*2 Idcdiodo
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Exercício 2
Calcular a potência contínua máxima que a ponte pode fornecer.
Temos:
PDC = VDC.IDC
PDC max =
2Vmáx
2.1200
* 2 * I DCDIODO =
* 2 * 5 = 8000Watts
π
3,14
5.6 Filtro Retificador com carga RC (Filtro Capacitivo)
Os circuitos retificadores apresentados nos itens anteriores tem como aplicação a
conversão de corrente alternada em corrente contínua, ou seja uma fonte de
alimentação, porém para que esta fique completa, falta ainda fazer, filtragem do sinal
retificado para que o mesmo se aproxime o máximo possível de uma tensão
contínua e constante.
A utilização de um filtro capacitivo é muito comum nas fontes de alimentação que
não necessitam de boa regulação, ou seja, que podem te pequenas oscilações na
tensão de saída. Um exemplo é o eliminador de bateria cujo circuito vem todo
montado na caixinha que vai ligada à rede elétrica.
A figura 5.13 representa uma fonte de alimentação formada por um transformador
ligado a um retificador de onda completa em ponte, com capacitor de filtro na saída
em paralelo com a carga.
A filtragem do sinal retificado pode ser explicada, analisando-se o gráfico da figura
5.14 (forma de onda na saída da fonte de alimentação).
31
Com o primeiro semiciclo do sinal retificado, o capacitor carrega-se através dos
diodos D1 e D3 até o valor de pico. Quando a tensão retificada diminui, os diodos
que estavam conduzindo ficam reversamente polarizados fazendo com que o
capacitor se descarregue lentamente pela carga RL.
Quando, no segundo semiciclo, a tensão retificada fica maior que a tensão no
capacitor, os diodos D2 e D4 passam a conduzir carregando novamente o capacitor
até o valor de pico, e assim sucessivamente, formando uma ondulação denominada
ripple.
A descarga do capacitor é lenta devido à constante de tempo RL.C, ou seja, quanto
maior o capacitor ou a resistência de carga, maior a constante de tempo e menor o
ripple.
Porém, mesmo com o ripple, percebe-se que a filtragem aumenta o valor médio da
tensão de saída, que será chamada de Vmf.
O valor de pico a pico do ripple pode ser calculado pela equação
onde:
Vmf = tensão média na carga após a filtragem
f = freqüência da ondulação (depende do tipo de retificador)
RL = resistência da carga
C = capacitor de filtro
Assim, para o projeto de uma fonte de alimentação deve-se, antes,estipular a tensão
média de saída e o ripple desejados para, em seguida, calcular capacitor necessário
para a filtragem, as especificações dos diodos e as especificações do transformador.
32
EXEMPLO DE APLICAÇÃO: Projeto de uma Fonte de Alimentação
Projetar uma fonte com tensão de entrada de 1l0Vrms/60 Hz e tensão média de
saída de 5V com ripple de 0,1 V, para alimentar um circuito que tem resistência de
entrada equivalente a 1KΩ. Utilizar o retificador de onda completa em ponte.
O valor do capacitor de filtro pode ser calculado pela equação:
Neste caso será utilizado um capacitor eletrolítico de 470 µ, o que acarretará em
uma redução de ripple, melhorando o desempenho da fonte.
Para definir as especificações (IDM e VBr)dos diodos, é preciso calcular a corrente
média na carga e a tensão de pico no secundário do transformador.
Assim, a corrente média na carga vale:
O valor da tensão de pico na carga pode ser aproximado para:
VRLp = Vmf + VR/2 = 5 + 0,1/2 =5,05 V
Como a tensão de pico na carga é relativamente baixa, deve-se considerar Vγ, e
como a carga tem uma resistência muito maior que a resistência do diodo RD esta
pode ser desprezada.
No retificador em ponte, deve-se considerar, então, uma queda de tensão de 2 x Vγ
(dois diodos conduzindo em cada semiciclo). Assim, a tensão de pico no secundário
do transformador deverá ser de:
Portanto, as especificações dos diodos deverão respeitar as seguintes condições:
IDM ≥ Imf/2 ≥ 5.10-3/2 ≥ 2,5 mA
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Finalmente, é necessário determinar as características do transformador.
A tensão eficaz no secundário é:
O transformador tem que ser dimensionado para uma potência maior que a de
trabalho.
Como a corrente na carga é praticamente constante já que o ripple é pequeno, a
potência de trabalho do transformador pode ser estimada por:
PT= V2pxImf = 6,45x5x10-3 = 32,25 mW
Portanto o transformador utilizado deve ter as seguintes especificações:
V1 = 110 V(rms)
V2 = 4,6 V(rms) P> 32,25 mW
Assim o circuito da fonte fica como mostra a figura 5.15.
5.7 DOBRADOR DE TENSÃO DE MEIA ONDA
No pico do semiciclo negativo, D1 está polarizado diretamente e D2 reversamente,
isto faz C1 carregar até a tensão Vp.
No pico do semiciclo positivo, D1 está polarizado reverso e D2 direto. Pelo fato da
fonte e C1 estarem em série, C2 tentará se carregar até 2Vp. Depois de vários
ciclos, a tensão através de C2 será igual a 2Vp.
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5.8 Circuitos Limitadores
Retira tensões do sinal acima ou abaixo de um dado nível.
Serve para mudar o sinal ou para proteção
LIMITADOR POSITIVO (OU CEIFADOR)
LIMITADOR POLARIZADO
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ASSOCIAÇÃO DE LIMITADORES
USO COMO PROTEÇÃO DE CIRCUITOS
1N914 conduz quando a tensão de entrada excede a 5,7V.
Este circuito é chamado grampo de diodo, porque ele mantém o sinal num nível fixo.
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GRAMPEADOR CC
O grampeador cc soma uma tensão cc ao sinal (não confundir com grampo de
diodo).
Por exemplo, se o sinal que chega oscila de -10V a +10V, um grampeador cc
positivo produziria uma saída que idealmente oscila de 0 a +20V (um grampeador
negativo produziria uma saída entre 0 e -20V).
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