Eletrônica
Diodo 01
CIN-UPPE
Diodo
A natureza de uma junção p-n é que a corrente elétrica será
conduzida em apenas uma direção (direção direta) no sentido
da seta e não na direção contrária (reversa). Esta é a
ferramenta básica para o conceito de retificação na construção
de fontes de alimentação DC (Direct Corrent)(Corrente
Continua)(freqüência zero), etc.
Curva de operação de um díodo
Polarização direta
(foward)
Tensão de joelho
anodo
catodo
ruptura
(breakdown)
Polarização direta
(reverse)
Diodo –Características gerais
O diodo é um dispositivo não linear. Abaixo de um certa tensão
direta de 0.7 V (silício), apenas uma pequena corrente passa
pelo dispositivo.
Diferentemente de um resistor a corrente no diodo aumenta
bastante quando lhe aplicamos uma tensão direta superior a
0.7V. Isto ocorre devido a barreira de depleção dos diodos.
A resistência direta de um diodo retificador é, uma vez vencida
a barreira de potencial, proporcional a soma das resistências
das regiões p e n.
rB = rp + rn (resistência ôhmica do diodo)
Esta resistência alcança valores da ordem de 1 Ω.
Resitência no diodo
Polarização direta
(foward)
20
+
V
Resistência estática (CC)
Em um dado circuito a resistência é dada pela lei de Ohm:
R = Vd/Id
Esta resistência ocorre quando aplicamos uma tensão dc ao circuito
Id
id
r
diodo
Vd
_
2
Pontos de operação:
Polarização direta:
a) Id = 2 mA; Vd = 0.5 V;
Rd = 250 Ω
b) Id = 20 mA; Vd = 0.7 V;
Rd = 35 Ω
Polarização reversa:
c) Vd = – 10V, Id =10 µA;
Rd = 10 M Ω
ruptura
(breakdown)
Polarização direta
(reverse)
Vd
Reta de carga
Reta de carga é um recurso usado para calcular o valor exato da
corrente e da tensão de operação do diodo em um dado circuito.
Dado o circuito e as características elétricas do diodo, encontre seu
ponto de operação.
id
R = 1KΩ
10V
+
Id(mA)
10
diodo
Vd
_
Reta de carga
0,78
10
V = Id.R+Vd
Vdc (V)
a)
Id = 10V/ 1KΩ = 10 mA
b)
VR = IR.R = 9,22V
Diodo – corrente e potência
A corrente direta em um diodo deve ser controlada a fim de se
evitar super aquecimento (dissipação de potência) do
dispositivo e sua queima. Assim sempre é aconselhável a
colocação de um resistor em série para a limitação desta
corrente.
i
diodo
_
i = (V-Vd)/r
+
V
r
Vd
P = i.Vd = i2.rB (potência dissipada no diodo)
Em diodos retificadores, em geral, o fabricante especifica esta
característica em função da corrente máxima suportada pelo
diodo.
Exemplo:
Diodo IN4001 fornece uma corrente máxima (Io) de 1A.
Diodos - Modelos
Modelo Ideal – podemos idealizar um diodo perfeito, comparado o
dispositivo retificador a uma chave mecânica.
– Diodo conduz com resistência zero quando o diodo está
polarizado diretamente (chave fechada)
– Diodo não conduz “com resistência infinita” quando o diodo está
polarizado inversamente (chave aberta)
V = 0,0 V
Aberto V <0
Fechado V >0
Resistência infinita
Diodos - modelos
Na segunda aproximação consideramos um diodo como uma
chave que precisa de uma tensão mínima (limiar) para seu
funcionamento.
V = 0.7 V
Aberto V <0,7 V
Fechado V >0,7 V
Aberto V <0,0 V
Fechado V >0,0 V
Diodo - modelos
Numa terceira aproximação, o modelo considera também a resistência
interna do diodo rB em série com uma bateria (DC).
Este modelo é mais apropriado quando se trabalha com circuitos de
alta precisão (resistores de precisão de valores bem baixos).
V = 0,7 V (barreira de potencial)
rB
rB
Aberto V <0,7
Fechado V >0,7
=0,7V
Aberto V <0
Fechado V >0
Diodo - exemplo
Diodo retificador 1N4001
anodo
cátodo
Obs:
- Embora o diodo retificador 1N4001 suporte 1A como valor máximo
absoluto, devemos garantir, por questão de segurança e de vida útil do
dispositivo, que a corrente direta em condições normais de uso seja
da ordem de 0.5 A.
- A tensão direta típica (VF) é de 0.93 V.
Diodo
retificador
1N4001
Circuitos com diodos
Algumas aplicações
– Porta lógica OR
– Porta Lógica AND
– Fonte de alimentação
• Meia onda
• Onda completa
Portas lógicas
Porta lógica OR
Z=X+Y
(X)V0
(Z)Vout =
(Y)V1
R
Porta lógica AND
Z=X.Y
(X)V0
(Z)Vout
=
(Y)V1
R
+
-
Fontes de alimentação AC-DC
Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no
Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz
(senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes
valores (220V, 110V, 12 V, etc), dependendo do fator de
redução aplicado.
Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa
tensão, o que implica na necessidade de um transformador
para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a
retificação.
Circuito retificador
220V
∼
∼
Vac
∼/±
+
-
Vdc
Transmissão de energia elétrica
A energia elétrica produzida
nas usinas hidrelétricas é
levada, mediante condutores
de eletricidade, aos lugares
mais adequados para o seu
aproveitamento.
Para
o Linhas de transmissão
de alta tensão
transporte da energia até os
pontos de utilização, não
bastam fios e postes. Toda a
rede de distribuição depende
estreitamente
dos
transformadores, que elevam
a tensão, ora a rebaixam.
Transformador
(baixa a tensão)
http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm
Transformador
(eleva a tensão)
O transformador
primário
N 1 : N2
I1
1
secundário
I2
2
V1
∼
∼
V2
carga
Onde:
N2 = Número de espiras do secundário do transformador
N1 = Número de espiras do primário do transformador
Considere que não há perda no circuito magnético do transformador
(transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída
(P1=P2).
Se P1=P2 , então I1V1 = I2V2 => I1 / I2 = V2 /V1 ;
Relação tensão/número de espiras em um transformador:
como V2 / V1=N2 / N1, então I1 / I2 = N2 /N1 , ou seja,
I1 = (N2 /N1). I2
e
I2 = (N1 /N2). I1
Retificador por diodo
Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo
valor médio é zero) em um forma de onda unidirecional, com
uma componente não zero, é chamado retificador.
N 1 : N2
5:1
V1(rms)
V(volts)
0
∼
∼
V2(rms)
RL Vdc = ?
π
Vp
π
2π
α=ϖt
2π
α=ϖt
Valores de tensão gerados
Valor Eficaz ou valor RMS é o valor que a tensão ou corrente deveria
ter se a tensão fosse constante (como uma C.C. constante).
Por definição o valor efetivo ou rms de uma função periódica do tempo
é dada pela área de um ciclo da curva, a qual representa o quadrado
da função dividida pela base.
2π
Vrms = (1/ 2π.∫ V(t)2dt)1/2
0
Para retificação meia onda:
Vrms
π
=(1/ 2π.∫ Vp(t)2sen2dt)1/2 = Vp(t)/√2
0
Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo
(tensão de pico), ou seja, 70%.
Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, fazse referência ao seu valor eficaz.
– A corrente alternada medida por um amperímetro é a corrente eficaz.
– Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS)..
Retificação de meia onda
1N4001
N 1 : N2
5:1
V1 = 120V
∼
∼
V2 = 24 V
RL Vdc = ?
Tensão de pico no primário:
Vp1 = Vrms.√2 => (120.1.414) V = 170 V
Tensão de pico no secundário:
Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V
A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha:
f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms
Considere que o diodo é um diodo ideal
1N4001
N 1 : N2
5: 1
V1 = 120V
∼
Retificação em meia onda
T = 16.7 ms
∼
V2 = 24 V
RL Vdc =10,8 V
T/2 T
V1
V(volts)
V(volts)
V2
T = 16.7
= 16.7
34
170
t(ms)
- 34
t(ms)
- 170
O valor médio de uma função periódica é dado por
Vdc= (1/T).∫V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área
da meia onda) dividido pela base (T= 2 π )
Vdc = (1/T)∫V(t)dt , T=2 π , para meia onda:
T/2
Vdc=(1/T)∫ Vp sen(wt). dt = Vp/π = 0,318 Vp .
0
Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V
Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz
V(volts)
170
Fator de ondulação
= 16.7
Retificação em meia onda
t(ms)
- 170
N 1 : N2
5:1
V1 = 120V∼
∼
T = 16.7 ms
1N4001
V2 = 24 V
RL
Vdc
T/2 T
Fator de Ondulação = F.O = Vp /(Vp /π) = π
Retificação de onda completa
Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é
equivalente a dois retificadores de meia onda.
O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador
superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o
semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.
N 1 : N2
5:1
1N4001
∼
V1 = 120V ∼
24 V
∼
1N4001
RL Vdc
N 1 : N2
5:1
1N4001
(f2 = 120Hz)
17V
∼
V1 = 120V ∼
(f1 = 60Hz)
RL Vdc=10,4V
∼
1N4001
- Tensão de pico no primário:
Vp1 = (120.1,414) V = 170 V
- Tensão de pico no secundário:
Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V (total)
- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário
tem uma tensão senoidal com um valor de 17V.
-O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é
dado por:
Vdc = (2.Vp/π) = 0,636 Vp = 10,4V
A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por:
f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms
Fator de ondulação = Vp/(2.Vp/π) = π/2
Retificação de onda completa em ponte
Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que
diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um
trafo sem tap central (tomada central aterrada).
A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão
retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda
completa com tomada central.
24 V
D1
V1 = 120V
(6OhZ)
∼
∼
D4
D2
D3
V
170V
34 V
Tensão reversa
-170V
+
-
-+
Tensão reversa
D4
D1
∼
∼
34V
D2
D3
V
Neste tipo de retificador a tensão de pico Vp saída é dada por:
Vp = 24/0.707 = 34 V
Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga
é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 V
Vantagens deste modelo:
1. saída em onda completa
2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário
3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário.
Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora
é dada por:
f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms
Fator de ondulação ≈ Vp/(2.Vp/π) = π/2
Reduzindo Fator de ondulação - filtro
Tensão de
ondulação
Redução do F.O através da
introdução de um capacitor em
paralelo com a carga do circuito
Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico)
Tp = tempo entre picos na tensão de saída
Funcionamento:
1. Inicialmente o capacitor está descarregado.
2. Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário,o diodo está conduzindo
permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico.
3. Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave
aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão Vp polariza inversamente
o diodo e começa a descarregar-se na carga (Rl).
4. O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do
capacitor, que é função de Rl e de C. Esta constante deve ser bem maior que o
período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco
até o próximo ciclo.
Capacitor – curva de carga
Equação de carga do capacitor
V
Em t = RC
V0
Em t = 2RC
0,86V0
V0
V0
0,63 V0
V0
A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta
como na descarga do capacitor, dada por:
A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin:
Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial
como
Assim,
Desde que T2-T1 ∼ T/2, onde T é o período da onda senoidal, então
Para um circuito com retificação de meia onda
Vr(pp) = Vmax/fRC
Circuito retificador em ponte
A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte
retificadora:
– Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda
de tensão.
Vdc = Vp – 1.4V
– Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos
estimar que:
Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) – Vr(pp)/2
Este é um valor médio utilizada na prática.
O valor de pico a pico é menor que 10% do valor de pico.
Circuito retificador em ponte
Corrente cc no diodo em uma ponte retificadora é dada por:
– ID= o,5.IL
– Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo.
– Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga
máxima do circuito deveria ser de 2 A.
Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução.
– PIV = Vp2
Corrente de surto
– Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o
capacitor está descarregado.
– O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo
determinado.
• Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 µF, a corrente de
surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo.
• Se o capacitor for superior a 1.000 µF, necessitando de vários
ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.
Projeto
1.
Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:
– Vsaída = 18V (rms) (tap central 9V)
– Corrente máxima = 100mA (carga)
– Retificador de meia onda (sem filtro capacitivo)
Retificador de onda completa em ponte
1. sem filtro capacitivo
2. Com filtro capacitivo (Ondulação máxima menor que 5%Vmax)
Obs:
– Utilizara retificação onda completa
– Especificar todos os componentes
– Demonstrar projeto em protoboard
– Implementar em placa padrão
Conversão AC - DC
Inversão de fase
Conversão AC - DC
Vp(pp) < 0.5% Vmax