Diodos - Chasqueweb
Propaganda
DELET - EE - UFRGS Circuitos Eletrônicos I ENG 04077 DIODO DE JUNÇÃO Prof. Dr. Hamilton Klimach 1 Dispositivos Eletrônicos Elementares Transistor de Junção Bipolar BJT NPN PNP ATIVOS (amplificação) Transistor de Efeito de Campo FET DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS de Junção JFET de Porta Isolada MOSFET Canal N Canal P Não-reativo: R Lineares Reativos: L, C PASSIVOS (relação IxV) Não-Lineares ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Diodos Termistores Varistores ... 2 Diodo Válvula Unidirecional Diodo Semicondutor DIODO CORTADO DIODO CONDUZINDO 3 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Diodo Ideal Símbolo do Diodo Curva do Diodo Ideal CORTE CONDUÇÃO Circuito Equivalente Comportamento NÃO Linear ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 4 Diodo Ideal Modos de Operação Modo de polarização DIRETA “CONDUÇÃO” Modo de polarização REVERSA “CORTE” 5 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Diodo Ideal – Retificador Modo Condução Circuito Retificador Modo Corte ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 6 Diodo Ideal – Retificador Funcionamento Polarização Direta Polarização Reversa ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 7 Diodo Ideal – Retificador Funcionamento Curva de Transferência Reposta no Tempo vo X vI Vo = 0 Vo = VI • O procedimento de análise envolve a “descoberta” dos pontos em que o diodo PASSA da condução ao corte e vice-versa. • Descobertos estes pontos, APLICA-SE O MODELO ELÉTRICO DO DIODO EM CADA UMA DAS REGIÕES DE OPERAÇÃO. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 8 Diodo Ideal – Retificador Funcionamento Qual a tensão sobre o diodo? 9 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Exercício 1 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 10 Aplicação – Carregador de Bateria • O circuito abaixo pode ser empregado como um carregador de bateria. Determine: – a fração de tempo em que o diodo conduz; – o pico de corrente no diodo. 11 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Exercício 2 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 12 Exercício 3 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. 13 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Aplicação – Portas Lógicas • Um conjunto de diodos pode ser utilizado para implementar portas lógicas simples. Porta “OU” Porta “E” ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 14 ENG04447 – Eletrônica I Diodo Real 15 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Diodo de Silício – Curva IxV Curva Ideal Curva Real CONDUÇÃO DIRETA CORTE ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 16 Diodo de Silício – Curva IxV Curva Real CONDUÇÃO DIRETA CORTE Ruptura! CONDUÇÃO REVERSA ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 17 Diodo de Silício – Curva IxV Eq. diodo: Direta: VD nV kT I D I S e T 1 VT q ID ISe Reversa: I D I S VD nVT n: 1 a 2 p/ VD> 100mV p/ VD< –100mV (“corrente de fuga”) Constante de Boltzmann k = 1,38x10-23 J/K Carga do elétron q = 1,6x10-19 C Para: T = 20C, VT = 25,2 mV ≈ 25 mV T = 27C, VT = 25,9 mV ≈ 26 mV ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 18 Diodo de Silício – Curva IxV Dependência com a Temperatura • Este gráfico ilustra a dependência da temperatura do diodo em polarização direta. • Para uma corrente constante, tensão VD cai aproximadamente 2mV para cada 1C de incremento de temperatura. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 19 Diodo de Silício – Curva IxV Dependência com a Temperatura @ Corrente Constante ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 20 Diodo de Silício – Curva IxV Dependência com a Temperatura ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 21 Junção Semicondutora Junção Semicondutora • Estrutura simplificada de um diodo de junção • Existe uma região de “contato” (junção) de dois materiais com propriedades elétricas diferentes ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 22 Tabela Periódica SEMICONDUTORES ISOLANTES CONDUTORES ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 23 Estrutura Cristalina - Silício • O Si é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre • Como possui 4 elétrons no último orbital, faz parte do grupo IV e permite 4 ligações covalentes • Seu cristal tem estrutura regular, com disposição tetraédrica (cada átomo é ligado a outros 4 átomos) ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 24 Condutores, Isolantes e Semicondutores • Os níveis de energia que estão associados aos orbitais dos elétrons no átomo são quânticos, podendo apenas assumir valores discretos. • Quando diversos átomos se aproximam e se ligam, formando um cristal, seus orbitais mais externos interagem, resultando em uma grande quantidade de novos níveis de energia possíveis. • Os níveis de menor energia são devido aos orbitais mais internos, que pertencem individualmente a cada átomo, compondo o que se chama “banda de valência” do cristal; os elétrons que localizados nestes níveis estão presos ao respectivo átomo. • Os níveis de maior energia são devido aos orbitais mais afastados dos núcleos dos átomos e definem uma região compartilhada por todos os átomos do cristal, chamada “banda de condução”; os elétrons localizados nestes níveis estão livres e podem fluir entre os átomos do cristal. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 25 Condutores, Isolantes e Semicondutores • Um material é dito CONDUTOR, quando após preenchida a banda de valência, sobram elétrons nos níveis da banda de condução, os quais são livres e se movimentam se submetidos a um campo elétrico (tensão). • Um material é dito ISOLANTE, quando somente possui elétrons nos níveis da banda de valência (a banda de condução está vazia), os quais estão presos a cada átomo e não conseguem se movimentar. • Caso, em um material isolante, a “distância energética” entre as bandas de valência e condução seja pequena (poucos eV), alguns elétrons da banda de valência que receberem energia externa (calor, luz, etc) podem conseguir ocupar momentaneamente a banda de condução, ficando livres e podendo se movimentar no material, o que determina uma certa “condutividade elétrica”. Estes materiais são chamados SEMICONDUTORES. • A “zero” Kelvin e sem incidência de qualquer forma de energia externa, um semicondutor se comporta como isolante (condutividade zero). ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 26 Condutores, Isolantes e Semicondutores ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 27 Estrutura Cristalina – Silício Intrínseco • Os átomos são mantidos unidos através do compartilhamento de elétrons, em ligações covalentes • Os elétrons presos a estas ligações não estão livres • Cada átomo possui 4 elétrons no último orbital e se liga a outros 4 átomos para preencher seu último orbital O Si cristalino possui cerca de 5x1022 átomos por cm3. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 28 Estrutura Cristalina – Silício Intrínseco • Algumas ligações covalentes rompem por agitaçação térmica (ionização) • Portadores livres são gerados possibilitando a condução de corrente (elétrons e lacunas livres) • Há contínua geração e recombinação de pares elétron-lacuna • Portadores são gerados termicamente: condutividade aumenta com a temperatura • O Si é chamado de semicondutor porque sua condutividade está entre a dos condutores e a dos No Si se encontra cerca de 1010 pares elétron-lacuna livres isolantes. 3 por cm gerados termicamente a 300K (27 ºC) . 29 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Semicondutor Extrínseco Tipo N Geralmente se utiliza concentrações de dopantes entre 1015 e 1019 átomos por cm3 de Si. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I • Criado através de contaminação controlada (dopagem) do Si puro • Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário) • Inserção de impurezas doadoras do Grupo V cria o silício Tipo N • Fósforo (P) e Arsênico (As) possuem 5 (4+1) elétrons no último orbital 30 Semicondutor Extrínseco Tipo P Geralmente se utiliza concentrações de dopantes entre 1015 e 1019 átomos por cm3 de Si. • Criado através de contaminação controlada (dopagem) do Si puro • Cada átomo de impureza cria um elétron livre (portador majoritário) • Inserção de impurezas aceitadoras do Grupo III produz silício Tipo P • Boro (B) e Alumínio (Al) possuem 3 (4-1) elétrons no último orbital ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 31 Concentrações de portadores • Silício intrínseco cristalino: – ≈ 5x1022 átomos/cm3 – ≈ 1010 portadores/cm3 @ 300 K (27 ºC) por geração térmica (portadores minoritários) • Concentração de dopantes (Si extrínseco): – em torno de 1015 a 1019 átomos/cm3 (cada átomo dopante gera um portador livre – majoritário) – o Si é considerado degenerado quando dopado acima de 1020 átomos/cm3 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 32 Concentrações de portadores • Silício cristalino intrínseco vs extrínseco: 33 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Mecanismos de Condução e a Corrente Elétrica • Corrente elétrica é o deslocamento de portadores de carga elétrica (elétrons livres): I = ΔQ/Δt • Existem dois mecanismos que provocam movimentação de portadores: Difusão: agitação térmica I dif qAVt • • • • • • dn dx Deriva: campo elétrico I der qAn dV dx q: carga do elétron A: área da seção considerada μ: mobilidade dos portadores n: concentração de portadores (cargas livres) V: tensão externa aplicada Vt: potencial térmico (kT/q = 26mV @ 27ºC) ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 34 Junção pn em Aberto Junção pn em Circuito Aberto Distribuição do potencial Região de Depleção ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 35 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Reversa A capacitância de depleção é modulada através de um potencial aplicado reversamente: Varicap, utilizado na sintonia de circuitos receptores de RF. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 36 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Direta ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 37 ENG04447 – Eletrônica I Diodo Real Análise de Circuitos ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 38 Solução Analítica VD VDD R I D VD I D I S e nVT • Sistema de equações NÃO Lineares ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 39 Solução Gráfica ID VDD VD R Conceito de Ponto de Operação – Q ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 40 Modelo Simplificado 2 parâmetros • Aproximação da curva exponencial por segmentos de reta. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 41 Modelo Simplificado 2 parâmetros ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 42 Solução Analítica com o Modelo Solução Analítica com Modelo VD+rD: ID VDD VD 0 R rD VD VD 0 rD I D ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 43 Modelo Simplificado 1 parâmetro ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 44 Modelo Simplificado 1 parâmetro Diodo de Junção pn Ideal ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 45 ENG04447 – Eletrônica I Diodos Operação sob Sinal ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 46 Modelo de Pequenos Sinais CC • A fonte VD define o valor médio das tensões e correntes (Ponto Quiescente – Q) – Análise CC • A fonte vd é uma variação no entorno de Q – Análise CA CA 47 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Análise Polarização + Sinal Polarização – CC V (t ) VCC vs (t ) vD (t ) VD vD (t ) rd Pequenos Sinais - CA vD iD iD ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I nVT ln iD I S nV T Q I DQ 48 Exemplo • O circuito ao lado é utilizado como regulador de tensão. • Determine o comportamento deste regulador considerando: – Uma variação de 10% na tensão da fonte – O comportamento deve ser analisado SEM e COM a ligação de um resistor de carga de 1kΩ – Suponha VD0 = 0,7V, VT = 26mV e n = 2 • Quanto varia percentualmente a tensão de saída para os dois casos? (sem e com carga) R: ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I s / c : VO 19,4mVp VO 1,9% VO c / c : VO 26,3mVp VO 2,6% VO 49 Diodo em Polarização Direta Curva Real Modelo Ideal ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Modelo com 2 parâmetros 50 Diodo em Polarização Direta Modelo Polarização (CC) Modelo de Pequenos Sinais (AC) ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 51 ENG04447 – Eletrônica I Diodos Retificadores Fontes de Alimentação ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 52 Fonte Alimentação Diagrama em Blocos ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 53 Retificador de Meia Onda Retificador Curva de Transferência Circuito Equivalente Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: tensão reversa nos diodos igual ao valor de pico de Vs ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 54 Retificador de Onda Completa – tap central Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: quando reversamente polarizado, cada diodo terá de suportar uma tensão máxima de até 2xVs_pico-VD Curva de Transferência ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 55 Retificador de Onda Completa – ponte de diodos Formas de Onda de Entrada e Saída Obs: tensão reversa nos diodos igual ao valor de pico de Vs ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 56 Filtro – sem carga •O CAPACITOR é carregado através do diodo, armazenando energia (carga elétrica). •Após carregado, não há caminho de descarga, e a tensão no capacitor se mantém constante. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 57 Filtro – com carga ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 58 Aproximação para Projeto do Filtro vC 1 I LT i dt C C C Vr T= 16,7ms p/ ½ onda em 60Hz T= 8,3ms p/ onda completa em 60Hz ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 59 Retificador de onda completa com capacitor-filtro: simulações ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 60 Escolha dos Diodos Especificação do Diodo (ex. 1N400X): •Corrente média máxima (IFAV): corrente direta média que o diodo suporta em uso contínuo •Corrente de pico repetitiva máxima (IFRM): corrente direta de pico que o diodo suporta repetidamente em uso e está relacionada aos ciclos de recarga do capacitor •Corrente de pico não-repetitiva máxima (IFSM): corrente direta de pico que o diodo suporta sem repetição (ou com repetição espaçada) e está relacionada ao ciclos de carga completa do capacitor, que ocorre quando a energia é ligada ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 61 ENG04447 – Eletrônica I Diodo Zener e Reguladores de Tensão ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 62 Diodo Zener Limites de Operação Símbolo I Z max Curva IxV Característica PZ VZ nom I Z min 0,1I Z max • Os diodos Zener operam na região de “ruptura reversa” – Vz < 5V – Efeito Zener (Coef. Térmico negativo) – Vz > 5V – Efeito Avalanche (Coef. Térmico positivo) 63 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Modelo do Diodo Zener – polarização reversa Modelo Símbolo Eq. de Modelo VZ VZ 0 rz I Z ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 64 Manual da Série BZX79 Philips ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 65 Regulador Paralelo Com Zener • O diodo Zener do circuito tem – Vz = 6,8V@5mA – rz = 20Ω – IZK= 0,2mA (IZmin) VZ VZ 0 rz I Z ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 66 Regulador de Tensão • Reguladores para Fontes de Alimentação – Lineares • Regulador Série (ex.: 7805, LM319) • Regulador Paralelo (ex: zener, TL431) – Chaveados Rede AC Interruptor e Proteções Transformador Retificador REGULADOR DE TENSÃO Filtros Carga ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 67 Regulador de Tensão – Função • Estabilizar a tensão de saída (fornecida à carga) contra: – – – – Variações na tensão da rede AC (flutuações) Variações de consumo da carga (IL) ripple outras perturbações ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 68 Tipos de reguladores lineares • Série – O elemento de regulação encontra-se em série com a carga (regulação em tensão) – A queda de tensão sobre o regulador é ajustada continuamente de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF Rede AC IL IF Transformador + Retificador + Filtros + VF - Regulador + VL - Carga 69 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Tipos de reguladores lineares • Paralelo – O elemento de regulação encontra-se em paralelo com a carga (regulação em corrente) – A corrente de regulação é convertida em queda de tensão por uma impedância (Z); esta corrente é continuamente ajustada de forma a manter VL estável, mesmo com variações em VF Rede AC IF Transformador + Retificador + Filtros IL Z + VF - Regulador ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I + VL - Carga 70 Projeto: Regulador de Tensão IF R • O regulador de tensão paralelo com zener é projetado através do dimensionamento de seus componentes, ou: Regulador + IZ + VZ – Dz VF + IL VL RL 1)Diodo Zener: definição do seu valor nominal de tensão e potência; outros parâmetros podem ser dimensionados, como sua estabilidade térmica, resistência dinâmica, etc. 2)Resistor Série: definição do seu valor nominal e potência. – – Corrente no Zener: IZ Limites da corrente no Zener: VF VZnom IL R I Z max PZ I Z min 0,1I Z max VZ nom 71 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Projeto: Regulador de Tensão IF R • Condições a serem satisfeitas Regulador + Dz VF – IZ + VZ – + IL VL RL 1)Regulação Mínima: quando a tensão VF for mínima e a carga RL consomir a máxima corrente, deve sobrar para o Zener a mínima corrente que garante boa regulação (IZmin). – • Assim: I Z min VF min VZnom I L max Rmax ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Rmax VF min VZnom I L max I Z min 72 Projeto: Regulador de Tensão IF R • Condições a serem satisfeitas Regulador + Dz VF – IZ + VZ – + IL VL RL 2)Segurança do Zener: quando tensão VF for máxima e a carga RL consomir a mínima corrente, a corrente de Zener não deve ultrapassar o limite máximo permitido, para que o Zener não seja destruído (IZmax). – • Assim: I Z max VF max VZnom I L min Rmin Rmin VF max VZnom I L min I Z max 73 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Projeto: Regulador de Tensão • Assim, obtém-se através da especificação uma faixa de valores para o projeto de ‘R’. Deve-se selecionar um valor comercial para ‘R’, considerando-se que: • – – ‘R’ próximo de Rmax reduz a corrente no zener, aumentando o rendimento e reduzindo a regulação (maior r z); ‘R’ próximo de Rmin aumenta a corrente no zener, reduzindo o rendimento e aumentando a regulação (menor r z); Rmax VF min VZnom I L max I Z min Rmin VF max VZnom I L min I Z max Rmax Rmin • O projeto deve resultar em • Caso contrário, deve-se alterar alguma definição já feita, como a escolha da potência do zener. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 74 Especificação de Reguladores • Normais – VLnom – Corrente de saída máxima e mínima (ILmax e ILmin) – Variação % de VF • Outras – – – – Valor nominal de VF (trafo + filtro) Potência máxima do Zener Regulação de VL Rendimento: η=PL/PI ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 75 ENG04447 – Eletrônica I Diodos Circuitos Limitadores e Conformadores ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 76 Circuitos Limitadores vi vo ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 77 Circuitos Limitadores • Restringir a excursão de um sinal dentro de certos limites – limite superior L+ – limite inferior L– ganho K (faixa não limitada) ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 78 Circuitos Limitadores • Limitador Ideal • Limitador Real (uso de diodos) ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 79 Circuitos Limitadores – exemplos • Limite superior • Limite inferior ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 80 Circuitos Limitadores – exemplos • Dois limites • Ajuste do limite ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 81 Circuitos Limitadores – exemplos • Fixação de limites através de diodo zener ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 82 Circuitos Conformadores • Alteram a forma de um sinal, através da definição de uma função entrada-saída não-linear e arbitrária vo inclinação 2:1 8,85V 5,7V -5,7V 5,7V 12V vi inclinação 1:1 83 ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I Circuitos Conformadores – exemplo • Gerador de Funções: ondas retangular, triangular e senoidal Integrador Comparador vo vR dt Retangular vi vR Triangular Conformador vT vo Senoidal vi ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I vS 84 Circuitos Conformadores – exemplo • Conformador senoidal simples: – cada quadrante da senóide é aproximado através de 3 segmentos de reta – os dois pontos de transição entre os 3 segmentos são determinados pelas tensões dos zeners – funciona para os semi-ciclos positivo e negativo – necessita de um sinal triangular com 10Vp R=1k + vi DZ1 DZ3 3V3 DZ2 5V6 DZ4 R1=2,7k R2=390 – + vo – ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 85
