Diodos
Comparação: dispositivo linear - não linear
R
D
2
O Díodo Ideal

Vd  0 - circuitofechado
Um díodo consiste num dispositivo
capaz de permitir a passagem de
corrente num sentido e impedir no
sentido oposto.
Vd  0 - circuitoaberto
Símbolo do
díodo
Característica
do díodo
Id
cátodo
ânodo
+
Vd
Vd
Id
corrente
3
Modelo simplificado
Vd
1 / rd
Id


0,7V
vD  0.7V
rD
Devido ao carácter exponencial da característica do Diodo Vd
pode ser bem aproximado por 0.7V para um grande gama de
valores de correntes.
A resistência rd assume normalmente valores reduzidos.
4
A Junção p-n

Junção p-n


É uma aproximação do diodo real.
Constituída pela junção de dois materiais
semicondutores, tipo-p e tipo-n.
p
Semicondutor
tipo-p
n
Semicondutor
tipo-n
5
O díodo de junção pn consiste na junção
de dois materiais, um semicondutor tipo p
em contacto com um semicondutor tipo n
Os semicondutores tipo p e n consistem num substrato (silício
puro, p.ex.) ao qual foram adicionadas impurezas
tipo P (elementos com 3 elétrons na última órbita) ou
tipo N (elementos com 5 elétrons na última órbita)
6
7
Elétrons de valência
8
Semicondutores – tipo n e tipo p
Átomos pentavalentes, como o
Fósforo, o Arsénio, o Antimónio,
etc., constituem impurezas
doadoras do tipo n visto que
deixam disponível o 5º elétron de
valência que facilmente se torna
um elétron livre.
Ao contrário, átomos trivalentes,
como o Boro, o Gálium, o Índio,
etc., constituem impurezas
aceitadoras do tipo p visto que
deixam um lugar vago para um
elétron de valência; designa-se por
buraco ou lacuna
9
10
A junção p-n em equilíbrio termodinâmico

A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de
difusão de elétrons livres e de lacunas de tal forma que se
forma uma barreira de potencial.
Região de
depleção
E
+
p
NA
-
V
+
+
+
N N
VO  VT ln A 2 D
 ni



-
n
ND
Diferença de
potencial, V < 0
0
Campo eléctrico (E)
Potencial (V)
x
VO
11
Região de depleção

Devido à recombinação entre elétrons e livres e
lacunas existe uma região em que a concentração
destes está bastante abaixo do restante:
Região de
depleção
Região de depleção
ou região de transição
E
+
p
-
V
+
+
+
n
12
Junção polarizada diretamente

Polarização direta
+
p
-
+
+
+
n
-
+
Provoca o estreitamento da região de depleção e a
diminuição da barreira de potencial.

Facilita a passagem da corrente.
13
Junção polarizada inversamente

Polarização inversa
-
p
-
+
+
+
n
+
-+


Provoca o alargamento da região de depleção e o aumento
da barreira de potencial, até bloquear a passagem da
corrente.
Funciona como um capacitor cuja carga é armazenada na
região de depleção.
14
Díodo polarização
O díodo retificador é um
componente unidireccional ou
seja, só conduz num sentido
(quando o Ânodo está a um
potencial positivo em relação
ao Cátodo). Nessa situação
diz-se que o díodo está
polarizado diretamente.
A
K
+
VCC
Quando o díodo retificador está
polarizado inversamente
(Ânodo a um potencial negativo
em relação ao cátodo) não
conduz (está ao corte).
K
A
+
VCC
_
_
15
Leitura das características técnicas
Exemplo:
Díodo retificador 1N4007
VR = 1000V
Tensão inversa máxima que se pode aplicar
ao díodo em polarização inversa.
IF = 1A
Corrente directa máxima permanente que
pode circular pelo díodo.
IR = 5A
Corrente inversa que percorre o díodo
quando polarizado inversamente
VF = 1,1V
Queda de tensão interna máxima quando o
díodo polarizado diretamente conduz uma
corrente direta de 1A.
16
Reta de carga
Consideremos o circuito:
+
+
VCC
VF
_
IF
+
RC
_
_
-VCC + VF + RC.IF = 0
VF + RC.IF = VCC
Encontra-se uma equação que relaciona VF e IF:
VCC = VF + RC.IF
Esta equação permite determinar os dois pontos da recta de carga,
que sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto
de funcionamento (Q) do díodo.
17
Reta de carga
Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento
do díodo. Nota que a reta de carga depende do circuito (VCC e RC) em que o díodo
está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante.
IF
VCC = VF + RC.IF
Corrente de
saturação
Tensão de corte
Ponto de funcionamento
(Quiescente)
IFQ
IF=0  VCC=VF
Corrente de saturação
Reta de carga
VFQ
Tensão de
corte
VF=0  IF=VCC / RC
VF
18
Exemplo da determinação do ponto de
funcionamento (Q) de um díodo
VCC = VF + RC.IF
IF
Tensão de corte
+
VCC=3V
RC=750
_
IF=0  VCC=VF  VF=3 V
Corrente de saturação
VF=0  IF=VCC / RC  IF=3 / 750
IF= 4 mA
mA
Para as condições do circuito (VCC=3Volt e
RC=750) e a curva característica representada, a
corrente direta no díodo será de IFQ≈ 2,5mA e a
tensão direta será de VFQ=1,1V.
5
4
2,5
3
Q
2
1
1
1,1
2
3
19
Aplicações de díodos
1.
2.
3.
Retificadores
Ceifadores ou Limitadores e Grampeadores
Diodo Zener
1a.Retificador de ½ Onda
D
O
D
D
D
O
O
1.b Retificadores ½ onda e onda completa
O
Retificador de onda completa
23
Retificador de onda completa
24
Retificador de onda completa
25
Retificador de onda completa – Tensão média
26
Retificador de onda completa – Tensão média para díodos reais
27
Retificador de onda completa – Tensão reversa máxima
28
Retificador de onda completa com center tap
29
30
Retificador de onda completa com center tap
31
Ponte retificadora comercial
Ponte retificadora de média
potência.
Ponte retificadora de
potência
O orifício
é para
facilitar a
instalação
de
dissipador
es de
calor
Para obter corrente contínua é
necessário filtrar (através de
bobinas e/ou capacitores) a
corrente
contínua
pulsante
obtida na saída da ponte
retificadora (S-S)
Sinal na entrada (E) da
ponte:
Ponte retificadora
vista por dentro
E
S
E
S
Terminais da ponte
retificadora
Sinal na saída (S)
da ponte:
32
1.c Conversor AC/DC
33
2.a Limitadores ou Ceifadores
34
Limitadores ou Ceifadores
35
Limitadores ou Ceifadores
36
Limitadores ou Ceifadores
37
Limitadores ou Ceifadores
38
Grampeadores
39
Região de polarização Inversa


Efeito de Zener


Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte, o
díodo passa a conduzir, apresentando 2 efeitos:
O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares
elétrons-lacuna na região de depleção. Resulta em díodos
que operam com esta região bem definida.
Efeito de Avalanche

A energia cinética dos portadores minoritários sobe a
influência do campo elétrico é suficiente elevada para
quebrar as ligações covalentes.
40
3. Díodo Zener- Constituição
Um díodo zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor
(silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K).
Símbolo:
41
Identificação visual dos terminais
O terminal que se encontra mais próximo do anel é o cátodo (K).
K
K
Tensão de zener (VZ= 27 V)
A
K
A
A
Tensão de zener (VZ= 8,2 V)
42
43
Princípio de funcionamento
 Díodo retificador se comportava quase como isolador quando a
polarização era inversa.
 O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado valor da
tensão (VZ), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente.
Qual será então o fato que justifica esta transformação de isolador
em condutor?
teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche.
44
Principio de funcionamento
Efeito de zener – ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor
(VZ) é rompida a estrutura atômica do díodo e vencida a zona neutra, originando
assim a corrente eléctrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões
inversas VR < 5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem
(percentagem de impurezas) do silício ou do germânio.
Efeito de avalanche – Para tensões inversas VR >7 Volt, a condução do díodo é
explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da
tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas (elétrons). A
velocidade atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos
semicondutores, através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados
libertam outros, originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito
de avalanche.
Para tensões inversas VR, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada
cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).
45
Diodo Zener
O
46
47
Utilização
Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável,
perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do
que montar o sistema constituído pelo díodo zener (polarizado
inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o díodo fique
em paralelo com a carga.
R – Resistência que tem por
função limitar a corrente no
zener (IZ).
Rc – Resistência de carga
(receptor)
+
_
48
Polarização
O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial
negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante
aos seus terminais (VZ) sendo por isso muito utilizado na
estabilização/regulação da tensão nos circuitos.
Entrada não
estabilizada de
15 a 17 Volt
Saída
estabilizada
a 12 Volt
49
O díodo zener como estabilizador de
tensão
Para que o díodo zener estabilize a tensão nos seus terminais deve-se ter em
atenção o seguinte:
O díodo zener tem que se encontrar polarizado inversamente (A   e K  ).
A tensão de alimentação do circuito tem que ser superior à tensão de zener (VZ)
do díodo.
A carga ou cargas do circuito têm que estar ligadas em paralelo com o díodo
zener.
50
O díodo zener como estabilizador de
tensão
Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão é necessário que o díodo
zener trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando-se as
especificações da corrente máxima.
500R
I
A corrente que circula pela
resistência limitadora é a mesma
corrente que circula pelo díodo
zener e é dada pela expressão:
I = (VE – VZ) / R
I = (15 – 10) / 500
I = 10 mA
51
Curva característica
ZONA DE TRABALHO
Os díodos zener são
definidos pela sua tensão
de zener (VZ) mas para
que possa existir
regulação/estabilização de
tensão aos seus terminais
a corrente que circula pelo
díodo zener (IZ) deve
manter-se entre os valores
de corrente zener definidos
como máximo e mínimo,
pois se é menor que o
valor mínimo, não permite
a regulação da tensão e,
se é maior, pode romper a
junção PN por excesso de
corrente.
52
Curva característica
O gráfico de funcionamento do zener
mostra-nos que, directamente
polarizado (1º quadrante), ele
conduz por volta de 0,7V, como um
díodo comum.
Porém, na ruptura (3º quadrante), o
díodo zener apresenta um joelho
muito pronunciado, seguido de um
aumento de corrente praticamente
vertical. A tensão é praticamente
constante, aproximadamente igual a
Vz em quase toda a região de
ruptura.
ZONA DE
TRABALHO
As folhas de dados (data sheet)
geralmente especificam o valor de
Vz para uma determinada corrente
zener de teste Izt.
53
Curva característica
Quando um díodo
zener está a trabalhar
na zona de ruptura, um
aumento na corrente
produz um ligeiro
aumento na tensão.
ZONA DE RUPTURA
Isto significa que o
díodo zener tem uma
pequena resistência
que também é
denominada
impedância zener (ZZ).
54
Características técnicas
Variando-se o nível de dopagem dos díodos de silício, o fabricante pode
produzir díodos zener com diferentes tensões de zener.
A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros:
Vz – Tensão de zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT)
Izmáx – Corrente de zener máxima
Izmin – Corrente de zener mínima
Pz – Potência de dissipação (PZ = VZ x IZ)
Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo zener pode trabalhar
dentro da zona de ruptura sem ser destruído.
55
Díodo zener ideal
I
V
Na primeira aproximação, podemos
considerar a região de ruptura como uma
linha vertical. Isto quer dizer que a tensão
de saída (VZ) será sempre constante,
embora haja uma grande variação de
corrente, o que equivale a ignorar a
resistência zener.
Isto significa que num circuito o díodo
zener pode ser substituído por uma fonte
de tensão com resistência interna nula.
56
Díodo zener real
Na segunda aproximação deve ser levada
em consideração a resistência zener (RZ)
em série com uma bateria ideal. Isto
significa que quanto maior for a corrente,
esta resistência produzirá uma queda de
tensão maior.
I
V
Isto quer dizer que na região de ruptura a
linha é ligeiramente inclinada, isto é, ao
variar a corrente haverá uma variação,
embora muito pequena, da tensão de
saída (VZ). Essa variação da tensão de
saída será tanto menor quanto menor for
a resistência de zener.
57
Zener x diodo comum
58
Limitadores ou Ceifadores com zener
59
Limitadores ou Ceifadores com zener
60
Díodos especiais

Schottky-barrier díodo





Varactors


Capacitores variáveis por tensão (sistema de modulação FM)
Photodiodes




Metal semicondutor tipo n
Para dopagem elevada não se produz díodo (contatos ohmicos)
Vd de 0.3 a 0.5V
Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio (As-Ga)
Díodo polarizado inversamente
Fótons incidentes na região de depleção geram pares elétronslacunas que transportam corrente (sensores de luminancia)
Polarização direta corresponde às células solares
LEDs


A recombinação de pares elétrons lacunas gera fótons
Led+photodiodo = isolador óptico
61
Led - Light Emitting Diode
62
Historial do led
Inventado em 1963
Led de cor vermelha
Fim dos anos 60
Led de cor amarela
1975
Led de cor verde
Dezenas de milicandela
Anos 80
Leds da cor vermelha e
âmbar
Maior intensidade luminosa
com a introdução da
tecnologia Al ln GaP
Início dos anos 90
Leds de cores azul,
verde, cyan e branco
Com o surgimento da
tecnologia InGaN
Leds que cobrem todo
o espectro de cores
Fluxo luminoso da ordem de
30 a 40 lúmen e com um
ângulo de emissão de 110
graus.
No final do anos 90
Intensidade luminosa:
1 mcd (milicandela)
O led só era utilizado para a
indicação do estado dos
equipamentos, ou seja, em rádios,
televisores e outros equipamentos,
sinalizando se o aparelho estava
ligado ou não.
Substituição de lâmpadas,
principalmente na indústria
automóvel.
Substituição de alguns tipos de
lâmpadas em várias aplicações de
iluminação.
Leds que atingem o fluxo luminoso de 120 lúmen, uma potência de 1, 3 e 5 watt, estando
disponíveis em várias cores, e sendo responsáveis pelo aumento considerável na
substituição de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações de iluminação.
63
Se comparamos a uma lâmpada
de incandescência comum, o
LED não tem filamento e o seu
funcionamento é muito diferente.
Ao ser aplicada uma tensão
geram luz, devido ao movimento
dos elétrons dentro do material
semicondutor.
A luz gerada pelo led é originada
através do aquecimento destes
semicondutores por uma
pequena corrente eléctrica que o
percorre.
Fio de ouro
Pastilha
semicondutora
Copo reflector
Lente de
Epoxy
(invólucro
exterior)
Terminais de
alimentação
Led visto por
dentro
64
A luz emitida por um led é praticamente
monocromática, sendo possível fabricá-los com
luz de diferentes cores, alterando a composição
química do material semicondutor.
Os leds mais comuns são feitos de ligas de:
Gálio (Ga);
Arsénio (As);
Alumínio (Al);
Índio (In);
Nitride (N);
Fósforo (P).
65
A emissão da luz de cor branca pode
ser feita mediante a mistura de
vermelho, verde e azul (RGB)
podendo-se conseguir qualquer cor,
incluindo o branco.
O RGB (Red Green Blue) é a
tecnologia capaz de emitir luz numa
variedade quase infinita de cores a
partir da combinação das três cores
fundamentais.
66
Um led acende quando está polarizado directamente
ou seja, o ânodo (A) está positivo em relação ao
cátodo (K).
K
A
Quando polarizado inversamente um led não
acende.
Os leds são semicondutores que convertem a energia elétrica em luz
de cor, alimentados a 12V, 24V ou 230 V, de acordo com os
dispositivos de interface.
Um led não deve ser ligado diretamente a uma tomada de tensão
elétrica comum (residencial).
O led trabalha com tensões muito baixas e a sua alimentação precisa
de ser em corrente contínua e não em corrente alternada que é o caso
das tomadas elétricas comuns. Por isso é sempre necessário o uso de
uma fonte de alimentação ou interface (transformador ou um “driver”)
que converta as características de alimentação de uma tomada comum
para um padrão adequado ao funcionamento do led.
67
Os parâmetros principais a considerar num led são essencialmente:








Cor;
Tensão directa (VF) e Tensão inversa (VR) [V DC];
Corrente directa (IF) e Corrente inversa (IR) [A];
Potência de dissipação (PD) [W];
Ângulo de visualização;
Comprimento de onda [nm];
Temperatura de cor [K];
Intensidade luminosa [cd] ou Fluxo luminoso [lm]
Exemplo:
Led vermelho ELD-670-524
Valores máximos: IF=50 mA; VF=2,7 V; VR=5 V; PD=120 mW
Ângulo de visualização: 25º
Comprimento de onda: 670 nm
Intensidade luminosa: 250 mcd
68
Vantagens dos leds, relativamente às restantes fontes de luz:

Maior vida útil (50.000 horas) e consequente baixa manutenção;

Baixo consumo (relativamente às lâmpadas de incandescência) e
uma eficiência energética (em torno de 50 lúmen/Watt);

Não emitem luz ultra-violeta (sendo ideais para aplicações onde este
tipo de radiação é indesejada. Como por exemplo, quadros e obras
de arte;

Não emitem radiação infravermelha, fazendo por isso que o feixe
luminoso seja frio.

Resistência a impactos e vibrações: Utiliza tecnologia de estado
sólido, portanto, sem filamentos e sem vidro, aumentando a sua
robustez.

Maior segurança, já que trabalham em baixa tensão (< 33V).
Proporcionam segurança para os utilizadores durante a sua
instalação e utilização.
69
Dissipador de calor num
led de alta potência.
Desvantagens dos leds, relativamente às restantes fontes de luz:



Custo de aquisição elevado, caso a aplicação seja desadequada;
O índice de restituição de cor (IRC) pode não ser o mais
adequado;
Necessidade de dispositivos de dissipação de calor, nos leds de
alta potência (a quantidade de luz emitida pelo led diminui com o
aumento da temperatura).
70
Display de 7 segmentos
O display de sete segmentos é um
invólucro com sete leds com formato de
segmento, posicionados de modo a
possibilitar a formação de números
decimais e algumas letras utilizadas no
código hexadecimal.
A figura representa uma unidade do
display genérica, com a nomenclatura
de identificação dos segmentos usual
em manuais práticos.
71
Entre as tecnologias de fabrico das unidades de display o mais comum é o display
a led, que possui cada segmento composto por um led, conforme as figuras.
O display pode ser do tipo
ânodo comum, ou seja os
terminais ânodo de todos os
segmentos estão interligados
internamente e para o display
funcionar, este terminal comum
deverá ser ligado em Vcc,
enquanto que o segmento para
ligar precisa de estar ligados no
GND.
Já o display cátodo comum, é
o contrário, ou seja, o terminal
comum, deverá ser ligado ao
GND e para ligar o segmento é
necessário aplicar Vcc ao
terminal.
Actualmente, o display mais
comercializado é o do tipo
ânodo comum.
Cátodo comum
Ânodo comum
72
O display de sete segmentos, é formado por sete leds, dispostos em
forma de oito. Quando se necessita de acender o número “0”, ligam-se os
leds correspondentes ao digito “0”, por exemplo, os segmentos a, b, c, d,
e, f.
73
Como os segmentos são leds,
então precisamos de limitar a
corrente, para isso devemos usar
uma resistência em cada
segmento. A corrente utilizada,
depende do brilho que queremos
do display, normalmente utilizamse resistências entre 220 e 560
ohms, para uma fonte de 5Volt, o
que equivale a uma corrente
entre 9mA a 20mA. Não
devemos usar valores de
resistência muito baixo, pois
estaremos a reduzir a vida útil do
display, inclusive podemos
queimar o segmento. Se for usar
um display, teste antes cada
segmento, para ter a certeza que
não está a usar um display com
algum segmento queimado.
74
Um dispositivo electrónico muito usado com os displays de 7 segmentos é o
descodificador BCD-7segmentos. O descodificador tem a função de
interpretar um código (BCD) e gerar os sinais para ligar o digito
correspondente a este código no display de 7 segmentos.
Por exemplo:
Entrada do descodificador em BCD (Decimal Codificado em Binário) – 0000
Saída do descodificador para o display de 7 segmentos - 0111111 - g f e d c b
a
Entrada do
descodificador
(0 em BCD)
0
0
0
0
Descodificador
BCD – 7segmentos
0
1
1
1
1
1
1
Saída do
descodificador para
o display de 7
segmentos (dígito 0)
Note que a saída do descodificador corresponde a ligar os segmentos do
digito “0” de um display do tipo cátodo comum.
Os descodificadores comerciais disponíveis são: 7447 (ânodo comum) e
7448 (cátodo comum).
75
Descodificador BCD – 7 segmentos.
Circuito integrado 7448
76
Muitas aplicações que utilizam displays de setesegmentos, necessitam de vários displays. Isto
implica um consumo grande de energia. Uma
solução adoptada e muito simples é multiplexar
os displays. O que significa multiplexar?
Multiplexar, significa activar um display de cada
vez, alternar o funcionamento dos displays.
Portanto, cada display ficará ligado por um
espaço de tempo e depois apagará, mas isto é
feito a uma frequência que a visão humana não
consegue perceber, ou seja, se os displays
estiverem a ser multiplexados com uma
frequência de 50 Hz ou maior, a visão humana
terá a impressão que todos os displays estão
ligados, mas na realidade quando um liga os
outros estão desligados.
77
Display matriz de ponto
A matriz de ponto é muito semelhante ao display, ou seja, é uma matriz de
leds no formato 7x5, só que ao contrário do display de 7 segmentos, não se
consegue ligar todos os leds ao mesmo tempo, só uma coluna de cada vez.
Logo precisa-se multiplexar as colunas, para ver o carácter no display.
78
Def.: Valor eficaz
79
Livro
Principal Fonte para este material http://www.prof2000.pt/users/lpa
80