12. Electrónica 12.1. díodos 12.1. semicondutores

12.1. semicondutores
12. Electrónica
12.1. díodos
Semicondutores são materiais sólidos cristalinos de
conductividade eléctrica intermédia entre os condutores e os
isoladores
Os elementos semicondutores podem ser “dopados” com
impurezas para controlar a sua conductividade
O díodo é um dispositivo electrónico não linear,
fundamental na electrónica moderna (a corrente não varia
linearmente com a diferença de potencial)
São importantes na fabricação de componentes electrónicas,
tais como díodos, transístores e outros dispositivos mais
complexos como circuitos integrados, microprocessadores e
células solares (fundamentais na indústria electrónica)
Importante em muitas aplicações
Por exemplo, um transístor aplica princípios de
funcionamento dos díodos
A corrente é transmitida quer pelos electrões livres (material
tipo n) quer por “lacunas” (material tipo p)
12.1
12.2
Materiais semicondutores intrínsecos mais comuns: germânio
e silício
Possuem uma camada de valência com 4 electrões
Quando os átomos de germânio (ou silício) se agrupam entre
si, formam uma estrutura cristalina (estrutura ordenada): cada
átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio de
ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de
valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho
(dois átomos adjacentes compartilham dois electrões)
Juntando impurezas pentavalentes
(como o fósforo ou o antimónio) a
um semicondutor intrínseco ele
torna-se do tipo n (mais electrões
do que lacunas)
Se as impurezas forem trivalentes
(como o alumínio ou o gálio) ele
torna-se do tipo p (mais lacunas do
que electrões)
12.3
12.4
1
Junção p-n
Polarização da junção p-n
Directa
Inversa
12.5
12.6
Curva característica do díodo
Díodo
Componente passivo não linear: a função I(V) não é uma recta
VD
Díodo Ideal
0, 7 RI D
arccot R
Diferentes tecnologias:
▪ díodos de junção de semicondutor (2 materiais
semicondutores diferentes)
▪ díodos barreira Schottky metal-semicondutor
▪ díodos termoiónicos (efeito termoiónico, só alta tensão)
V
i
Díodo real
12.7
Aproximação prática
12.8
2
Díodo ideal e díodo real
Um díodo deixa passar a corrente preferencialmente num
sentido, filtra a corrente inversa
Cuidados a ter:
Díodo real
Vi
▪ corrente de condução máxima: se fôr ultrapassada o
excesso de temperatura da junção destrói o díodo
Silício: 0,6 V
▪ tensão de polarização inversa máxima: se fôr ultrapassada
haverá disrupção na junção (breakdown), passa a conduzir
corrente
Germânio: 0,3 V
▪ A corrente inversa do díodo é fortemente dependente da
temperatura (factor de 2 a cada 10 oC)
▪ A tensão Vi também varia com a temperatura
dVi
dT
2,5mV / 0C para o Si
12.9
12.10
Determinação do ponto de funcionamento dum díodo (par V-I)
Corrente e tensão alternada
Determinação da corrente eléctrica que percorre o díodo num
dado circuito
Fonte de tensão
VDD Vd RI d
I d f (Vd )
12.11
Fonte de tensão alternada: diferença de potencial nos seus
extremos varia com o tempo segundo uma função periódica
(sinusóidal=seno)
Não é constante, nem tem sempre o mesmo sinal
12.12
Varia periodicamente (período=inverso da frequência)
3
Transformador
Corrente e tensão alternada
Dispositivo que transmite energia eléctrica de um circuito
para outro: transforma tensão e corrente
Funciona segundo as leis de Faraday e Lenz
Consiste em dois ou mais enrolamentos e um "caminho", ou
circuito magnético, que "acopla" essas bobinas (ferro laminado)
Nos transformadores de dois enrolamentos, estes chamam-se
primário e secundário
Nas tomadas temos, normalmente, tensão de 220 V com
frequência de 50 Hz
Mas muitos aparelhos eléctricos e electrónicos necessitam de
corrente contínua: necessidade de transformação e de
“alisamento” da tensão e corrente alternada
12.13
Transformador
A passagem de corrente no enrolamento primário gera um
campo magnético; como a corrente é variável, induz uma f.e.m.
no enrolamento secundário
d B
p
s
s
p
Np
N
12.14
transmissão de potência eléctrica
dt
d
B
s dt
N
N
s
p
Ns > Np: tensão no secundário maior do que no primário
Ns < Np: tensão no secundário menor do que no primário12.15
a perda de potência eléctrica pode ser muito reduzida se for
transportada em alta tensão
12.16
4
Circuitos com díodos
exemplo: linhas de transmissão
Rectificador de meia onda
Em média é produzida 120 kW de potência eléctrica numa
central eléctrica. As linhas de transmissão têm uma
resistência total de 0,40 . Calcular a perda de potência, se
ela for enviada em a) 240 V, e b) 24,000 V.
I
(a)
PL
(b)
I
PL
P 1.2 105 W
500A
83% de perda!!
V 2.4 102 V
I 2 R (500A)2 (0.40 ) 100 kW
P
V
1.2 105 W
2.4 104 V
I 2R
5.0A
Como num díodo a corrente passa quase exclusivamente
apenas num sentido, então apenas a parte positiva da onda
de entrada é que aparece à saída (a parte negativa é cortada)
0,0083% de perda
(5.0A)2 (0.40 ) 10 W
12.17
12.18
“Ripple”
Ripple é a diferença
entre o máximo e o
mínimo de tensão
(menos ripple=mais
“lisa”)
Valores normais da
tensão de ripple:
entre 1% e 5% do
valor do pico
Colocando um condensador em paralelo com a resistência de
carga permite “alisar” a onda
Isto ocorre devido à sucessiva carga do condensador quando
passa corrente no díodo e a sua descarga quando não passa
corrente
12.19
12.20
5
Rectificação
Cálculo do valor de C:
Se Vripple fôr pequeno, a corrente
de carga é praticamente
constante
I
dQ
dt
C
dV
então
dt
V
I
t
C
Circuito equivalente
v0
R
R rD
vS
vD 0
vS
vD 0
t será um pouco inferior a 1/f
(ou 1/2f se utilizarmos
rectificação de onda completa)
I load
Então:
V
2 fC
(onda completa)
C
I load
2 f V pretendido
12.21
Característica de transferência Formas de onda de entrada e saída
12.22
Circuitos com díodos
Rectificador de onda completa
Para aproveitar a onda completa, diminuindo as perdas e o
ripple, utiliza-se uma ponte de díodos
Existe sempre um caminho livre para a corrente que passa
em R
Ponte de díodos
12.23
12.24
6
Circuitos com díodos
Circuitos limitadores básicos
Rectificador de onda completa
12.25
12.26
Circuitos com díodos
Circuitos com díodos
Circuito limitador
Portas lógicas
D2
Semiciclo +
quando V
i
se V 5 V V
V
1
L 1
Semiciclo quando V
i
se V
8V V
(V
2
L
2
V 0, 7 D1 ON
1
0, 7 5, 7 V
O ramo D1+V1 é um
limitador positivo
enquanto o ramo D2+V2
é um limitador negativo
(V 0, 7) D2 ON
2
0, 7)
8, 7 V
As portas lógicas são a base de todo o cálculo automático
Numa porta OR o sinal à saída é 1 (+5V) se pelo menos uma
das entradas fôr 1 (+5 V)
Numa porta AND o sinal à saída é 1 (+5V) apenas se ambas as
entradas forem 1 (+5 V), senão é 0 (0 V)
12.27
12.28
7
Outros tipos de díodos
Díodo Zener
Díodo Zener
A tensão de zener (Vz) é termicamente muito estável
dVz
dT
É polarizado inversamente e é utilizado como tensão de
referência
5 ppm / oC
Existem zeners entre os 3 e os 30 V (a zona de maior
estabilidade é 6,3V)
É um díodo regulador de tensão
Vz também depende da corrente
12.29
12.30
Circuitos com díodos
Díodo Zener
Fonte de alimentação contínua a partir de corrente alterna,
recorrendo a díodos zener
RL
Os valores R e RL são condicionados pelas Iz,máx e Iz,min:
R
V1 Vz
I z ,máx
R
V1 Vz
I L I z ,min
valor mínimo para R (quando RL
valor máximo para R (se
)
RL
V1 Vz díodo fora da região zener)
RL R
12.31
12.32
8
Problema típico com díodo Zener
Díodo emissor de luz (LED)
No circuito da figura, se V1=15V, VZ=5V, R1=750 , R2=450 ,
R3=250 , determinar a corrente no díodo.
A recombinação de electrões e lacunas na junção p-n produz
fotões (=luz)
Emissão de luz quase monocromática
I1=I2+ID
-V1+R1I1+R2I2=0
-R2I2+R3ID+VZ=0
Corrente ~ 10 mA, V~2V
Actualmente há LEDs vermelhos, verdes, laranja e
infravermelhos (e os primeiros no azul e no ultravioleta)
ID=0,02A
12.33
Circuito de alimentação de um LED
12.34
Díodo laser
Produz luz coerente (com a mesma
fase), usando uma cavidade ressonante
espelhada
Luz muito intensa, focada e
monocromática
Curvas
características
I(V)
Indicador de 7 segmentos
12.35
12.36
9
A corrente eléctrica é proporcional à luz recebida (detector
de luz)
Fotodíodo
Efeito físico inverso ao LED: luz cria pares electrões-lacuna
na junção p-n
Em geral LEDs podem ser usados como fotodíodos com as
modificações adequadas
12.37
12.38
Díodo varactor
Díodo túnel
Tem uma capacidade de junção elevada que depende
fortemente da tensão inversa (capacidade controlável)
Característica V-I não monótona
Usado em circuitos de sintonia automática e de
desmodulação de frequência
O ponto B é instável: o díodo, em cada instante, tem o ponto
de funcionamento em A ou em C (utilização como elemento
oscilador)
3 pontos de funcionamento possíveis
12.39
12.40
1
0
Circuitos com díodos podem ser simulados utilizando o
programa disponível em
http://www.falstad.com/mathphysics.html
12.41
1
1