2. DÍODOS DE JUNÇÃO Fernando Gonçalves © Instituto Superior Técnico Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 Díodo de Junção Dispositivo de dois terminais, passivo e não-linear Fotografia Símbolo ânodo ID cátodo VD Idealmente o díodo comporta-se como um condutor de sentido único: a corrente só pode fluir do ânodo para o cátodo, mas o fluxo de corrente é controlado pela tensão aplicada aos seus terminais Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 2 1 Díodo de Junção Os díodos são fabricados com material semicondutor. Tipicamente utiliza-se o silício, embora também se possa utilizar o germânio Resultam da junção de silício do tipo-P (silício dopado com impurezas tri-valentes) com silício do tipo-N (silício dopado com impurezas penta-valentes) ânodo silício silício cátodo tipo P tipo N Exemplos de circuitos com díodos: • Circuitos rectificadores • Circuitos limitadores de tensão Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 3 Díodo de Junção: Característica Tensão-Corrente ID Zona de disrupção ou breakdown Zona inversa -Vmax Zona directa VON VD 3 Zonas de funcionamento: 1. Zona directa: VD > 0 2. Zona inversa: -Vmax < VD < 0 (ID ≅ 0) 3. Zona de disrupção (breakdown): VD < -Vmax (ID < 0) Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 4 2 Díodo de Junção: Característica Tensão-Corrente VD ID = IS ⋅ e n⋅VT − 1 (equação válida para a zona directa e inversa) IS : Corrente inversa de saturação (IS ≈ 10-15 A) VT : Tensão térmica (VT = 25 mV para 20o C) n : Coeficiente dependente do material (n = 1 para díodos de silício) Zona Directa (VD > 0) VD ID ≅ IS ⋅ e n⋅VT pois geralmente VD >> n VT Zona Inversa (-Vmax < VD < 0) ID ≅ − IS Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 5 Aproximações à Característica Real Característica ideal ID Curto-circuito (ID é imposto pelo circuito) VD = 0 0 ID = 0 ID VD Circuito aberto (VD é imposto pelo circuito) ON: Fernando Gonçalves ID > 0 VD = 0 OFF: Instituto Superior Técnico VD ID = 0 VD < 0 Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 6 3 Aproximações à Característica Real Característica com fonte de tensão constante ID (ID é imposto pelo circuito) VD = VON VD ID VON ID = 0 Circuito aberto (VD é imposto pelo circuito) ON: Tipicamente VON ∈ [0,5 V; 0,7 V] OFF: Instituto Superior Técnico VD ID > 0 VD = VON Fernando Gonçalves ID = 0 VD < VON Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 7 Aproximações à Característica Real Característica com resistência ID 1 RD VD ID = 0 ID VON Circuito aberto (VD é imposto pelo circuito) ON: OFF: Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves ID > 0 VD VON RD VD ID = 0 VD < VON Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 8 4 Exemplo Calcular a corrente I e a tensão V considerando que os díodos são ideais 10 V R1 = 5 kΩ D1 D2 V I R2 = 10 kΩ -10 V Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 9 Díodo de Zener Os díodos de Zener são concebidos para funcionarem na zona de disrupção Nessa região mantêm constante uma determinada tensão, designada por tensão de Zener, VZ A zona directa mantém as mesmas características de um díodo “normal” ID ID Símbolo ânodo -VZ VON VD ON: VD ID > 0 VD = VON cátodo OFF: ID VD ZENER: ID = 0 - VZ < VD < VON ID < 0 VZ VD = -VZ Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 10 5 Aplicações: Conversores AC-DC Um conversor AC-DC transforma uma grandeza alternada (AC) numa grandeza constante (DC) Tipicamente, a grandeza transformada é a tensão Conversor AC-DC de Tensão (Topologia Genérica) 220 V 50 Hz ??? V 50 Hz t Rectificador com díodo(s) t Filtro RL (carga) t t mesma frequência, mas diferente amplitude Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 11 Aplicações: Circuitos Rectificadores Rectificador de Meia-Onda (Positivo) VS VO Características do díodo ID VO t VD ID VS VON VO t VD VON Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves VS Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 12 6 Aplicações: Circuitos Rectificadores Rectificador de Meia-Onda (Negativo) VS VO Características do díodo ID VS VO t VO t VD ID VS VD VON VON Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 13 Aplicações: Circuitos Rectificadores Rectificador de Onda Completa com Ponte de Díodos 2VON VO RL VS t VO VS VO assumindo díodos ideais (VON = 0 V) VO assumindo díodos com VON > 0 V VS > 0 I VS Instituto Superior Técnico RL VO Fernando Gonçalves VS < 0 VS RL I VO Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 14 7 Aplicações: Circuitos Rectificadores Rectificador de Onda Completa com Ponto Médio do Transformador D1 VON VS1 VO VO t VS VS2 VS2 VS1 VO assumindo díodos ideais (VON = 0 V) VO assumindo díodos com VON > 0 V D2 VS2 > 0 (⇒ VS1 < 0) VS1 > 0 (⇒ VS2 < 0) D1 VO VS1 VO VS VS VS2 D2 Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 15 Aplicações: Circuitos Rectificadores Comparação entre Rectificadores de Onda Completa Com ponte de díodos Com ponto médio do transformador Vmax - 2VON Vmax - VON 4 2 Tensão máxima Número de díodos Transformador Instituto Superior Técnico mas existe num único circuito 1 enrolamento no secundário Fernando Gonçalves 2 enrolamentos no secundário Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 16 8 Filtragem • As tensões obtidas à saída dos rectificadores ainda apresentam grande oscilação (ripple). Estas oscilações devem ser eliminadas, ou pelo menos atenuadas. • Para eliminar o ripple utiliza-se um filtro passa-baixo – as frequências mais elevadas são filtradas (atenuadas), enquanto a componente contínua (f = 0 Hz) não é afectada. Filtro RC Rectificador de meia-onda ou onda completa VS R C RL (carga) t t VO t ou t Instituto Superior Técnico Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 Fernando Gonçalves 17 Filtragem Rectificador de meia-onda com filtragem Filtro R VS C VO RL VO(t) assumindo um díodo ideal VO VS Descarga D OFF Assumindo um díodo ideal: 1. Quando VS > VO o condensador carrega 2. Quando VS < VO o condensador descarrega Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves t Carga D ON Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 18 9 Filtragem Durante a descarga obtém-se o circuito equivalente C VO RL constante de tempo da descarga: τ = C.RL Escolha do condensador: capacidade pequena capacidade elevada VO (t) = VO (0) e − t τ descarga muito rápida carga muito lenta Quando t << τ a descarga pode considerar-se linear ∆VO = 1 IR (0) ∆t C L IRL(0) representa a corrente no início da descarga, a qual se assume constante durante todo o tempo de descarga (situação mais desfavorável) Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 19 Filtragem Rectificador de onda completa com filtragem VS VS R C RL VO VO VS Descarga Carga Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves t Para o mesmo filtro e a mesma resistência de carga, RL, a oscilação do sinal de saída é menor devido ao menor tempo de descarga Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 20 10 Aplicações: Circuitos Limitadores Os circuitos limitadores impedem que a tensão exceda um determinado valor máximo ou mínimo Característica VO(VS) VO D VS VO VON D OFF ID Característica do díodo D ON VON VS VS VO VON t VD VON Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 21 Aplicações: Circuitos Limitadores D OFF VS D VO IR IR = 0 VR = 0 VS D ON VR ID = 0 VD VO = VS ID = 0 e VD < VON para que D OFF VD = VS – VR (lei das malhas) ID = 0 ⇒ VR = 0 ⇒ VD = VS VD < VON e VD = VS ⇒ VS < VON Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves VS ID VD = VON VO = VON ID > 0 e VD = VON para que D ON ID = IR = VR VS − VON = R R ID > 0 ⇒ VS > VON Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 22 11 Aplicações: Circuitos Limitadores Outros exemplos de circuitos limitadores D ON VO V1+VON D VO VS VS V1+VON V1+VON VO VS t V1 D OFF D1 D2 V1 V2 VS V1+VON VO t −(V2+VON) VO D1 ON D2 OFF V1+VON -(V2+VON) D1 e D2 OFF D1 OFF e D2 ON Instituto Superior Técnico VO Fernando Gonçalves V1+VON VS VS -(V2+VON) Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 23 12
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