ENG04447 – Eletrônica I Diodos 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-04447 – ELETRÔNICA I Diodos Termistores Varistores ... Retificador Zener LED Fotodiodo PIN Diodo Tunel Varicap ... 2 1 Diodo Válvula Unidirecional Diodo Semicondutor DIODO CORTADO DIODO CONDUZINDO 3 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Diodo Ideal Símbolo do Diodo Curva do Diodo Ideal CORTE CONDUÇÃO Circuito Equivalente Comportamento NÃO Linear ENG-04447 – ELETRÔNICA I 4 2 Diodo Ideal Modos de Operação Modo de polarização DIRETA “CONDUÇÃO” Modo de polarização REVERSA “CORTE” 5 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Diodo Ideal – Retificador Modo Condução Circuito Retificador Modo Corte ENG-04447 – ELETRÔNICA I 6 3 Diodo Ideal – Retificador Funcionamento Polarização Direta Polarização Reversa ENG-04447 – ELETRÔNICA 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-04447 – ELETRÔNICA I 8 4 Diodo Ideal – Retificador Funcionamento Qual a tensão sobre o diodo? 9 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Exercício 1 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. ENG-04447 – ELETRÔNICA I 10 5 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-04447 – ELETRÔNICA I Exercício 2 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. ENG-04447 – ELETRÔNICA I 12 6 Exercício 3 Considere os diodos ideais. Calcule o valor de I e V. 13 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Aplicação – Portas Lógicas • Um conjunto de diodos pode ser utilizado para implementar portas lógicas simples. Porta “OU” Porta “E” ENG-04447 – ELETRÔNICA I 14 7 ENG04447 – Eletrônica I Diodo Real 15 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Diodo de Silício – Curva IxV Curva Ideal Curva Real CONDUÇÃO DIRETA CORTE ENG-04447 – ELETRÔNICA I 16 8 Diodo de Silício – Curva IxV Curva Ideal Curva Real CONDUÇÃO DIRETA CORTE Ruptura! CONDUÇÃO REVERSA ENG-04447 – ELETRÔNICA I 17 Diodo de Silício – Curva IxV Eq. diodo: VD nV kT I D I S e T 1 VT q n: 1 a 2 VD Direta: I D I S e nVT p/ VD> 100mV Reversa: I D I S 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-04447 – ELETRÔNICA I 18 9 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-04447 – ELETRÔNICA I 19 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-04447 – ELETRÔNICA I 20 10 Tabela Periódica SEMICONDUTORES ISOLANTES CONDUTORES 21 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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-04447 – ELETRÔNICA I 22 11 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-04447 – ELETRÔNICA I 23 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-04447 – ELETRÔNICA I 24 12 Condutores, Isolantes e Semicondutores 25 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 26 13 Estrutura Cristalina – Silício Intrínseco • • • • No Si se encontra cerca de 1010 pares elétron-lacuna livres, gerados termicamente a 300K (27 ºC) . À temperatura ambiente, algumas ligações covalentes rompem por ação térmica (ionização) Há geração momentânea de portadores disponíveis para condução (elétrons e lacunas livres) Como os portadores são gerados termicamente, sua condutividade AUMENTA com a temperatura O Si é chamado de semicondutor porque sua condutividade está entre a dos condutores e a dos isolantes. 27 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Semicondutor Extrínseco Tipo N • Criado através de contaminação controlada (dopagem) • 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 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 28 14 Semicondutor Extrínseco Tipo P • Inserção de impurezas aceitadoras do Grupo III produz silício Tipo P • Boro (B) e Alumínio (Al) possuem 3 (4-1) elétrons no último orbital 29 ENG-04447 – ELETRÔNICA 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-04447 – ELETRÔNICA I 30 15 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 1018 átomos/cm3 (cada átomo dopante gera um portador livre – majoritário) – o Si é considerado degenerado quando dopado acima de 1020 átomos/cm3 31 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Junção pn em Aberto Junção pn em Circuito Aberto ENG-04447 – ELETRÔNICA I Distribuição do potencial Região de Depleção 32 16 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-04447 – ELETRÔNICA I 33 Polarização da Junção Junção pn em Polarização Direta ENG-04447 – ELETRÔNICA I 34 17 ENG04447 – Eletrônica I Diodo Real Análise de Circuitos 35 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Solução Analítica VD VDD R I D ID ISe VD nVT • Sistema de equações NÃO Lineares ENG-04447 – ELETRÔNICA I 36 18 Solução Gráfica ID VDD VD R Conceito de Ponto de Operação – Q ENG-04447 – ELETRÔNICA I 37 Modelo Simplificado 2 parâmetros • Aproximação da curva exponencial por segmentos de reta. ENG-04447 – ELETRÔNICA I 38 19 Modelo Simplificado 2 parâmetros 39 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Solução Analítica com o Modelo Solução Analítica com Modelo VD+rD: ID VDD VD 0 R rD VD VD 0 rD I D ENG-04447 – ELETRÔNICA I 40 20 Modelo Simplificado 1 parâmetro ENG-04447 – ELETRÔNICA I 41 Modelo Simplificado 1 parâmetro Diodo de Junção pn Ideal ENG-04447 – ELETRÔNICA I 42 21 ENG04447 – Eletrônica I Diodos Operação sob Sinal 43 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 44 22 Análise Polarização + Sinal Polarização – CC V (t ) VCC vs (t ) vD (t ) VD vD (t ) rd Pequenos Sinais - CA i vD nVT ln D iD iD IS nV T Q I DQ 45 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Exemplo • O circuito ao lado é utilizado como referência de tensão de cerca de 2,1V. • Queremos determinar o comportamento deste regulador de tensão para: – Uma variação de 10% na tensão da fonte – A ligação de um resistor de carga de 1kΩ • Suponha n = 2. ENG-04447 – ELETRÔNICA I 46 23 Diodo em Polarização Direta Curva Real Curva com rd Modelo CC ENG-04447 – ELETRÔNICA I 47 Diodo em Polarização Direta Modelo Ideal Modelo de Pequenos Sinais ENG-04447 – ELETRÔNICA I 48 24 ENG04447 – Eletrônica I Diodos Retificadores Fontes de Alimentação ENG-04447 – ELETRÔNICA I 49 Fonte Alimentação Diagrama em Blocos ENG-04447 – ELETRÔNICA I 50 25 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-04447 – ELETRÔNICA I 51 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-04447 – ELETRÔNICA I 52 26 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-04447 – ELETRÔNICA I 53 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-04447 – ELETRÔNICA I 54 27 Filtro – com carga ENG-04447 – ELETRÔNICA I 55 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-04447 – ELETRÔNICA I 56 28 Retificador de onda completa com capacitor-filtro: simulações ENG-04447 – ELETRÔNICA I 57 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-04447 – ELETRÔNICA I 58 29 ENG04447 – Eletrônica I Diodo Zener e Reguladores de Tensão 59 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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) ENG-04447 – ELETRÔNICA I 60 30 Modelo do Diodo Zener – polarização reversa Modelo Símbolo Eq. de Modelo VZ VZ 0 rz I Z ENG-04447 – ELETRÔNICA I 61 Manual da Série BZX79 Philips ENG-04447 – ELETRÔNICA I 62 31 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 63 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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 REGULADOR DE TENSÃO Retificador Filtros Carga ENG-04447 – ELETRÔNICA I 64 32 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 65 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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 Regulador + VF - ENG-04447 – ELETRÔNICA I + VL - Carga 66 33 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 IF Rede AC Transformador + Retificador + Filtros IL Z + VF - Regulador + VL - Carga 67 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Projeto: Regulador de Tensão IF R • O regulador de tensão paralelo com zener é projetado através do dimensionamento de seus componentes, ou: Regulador + Dz VF – Corrente no Zener: IZ VF VZnom IL R IZ + + VZ VL – – IL 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. RL Limites da corrente no Zener: I Z max PZ VZ nom ENG-04447 – ELETRÔNICA I I Z min 0,1I Z max 68 34 Projeto: Regulador de Tensão IF R • Condições a serem satisfeitas Regulador + Dz VF – IZ + + VZ VL – – 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). IL RL • Assim: I Z min VF min VZnom I L max Rmax Rmax VF min VZnom I L max I Z min 69 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Projeto: Regulador de Tensão IF R • Condições a serem satisfeitas Regulador + VF – Dz IZ + + VZ VL – – 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). IL RL • Assim: I Z max VF max VZnom I L min Rmin ENG-04447 – ELETRÔNICA I Rmin VF max VZnom I L min I Z max 70 35 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 rz); ‘R’ próximo de Rmin aumenta a corrente no zener, reduzindo o rendimento e aumentando a regulação (menor rz); – • O projeto deve resultar em Rmax Rmin • Caso contrário, deve-se alterar alguma definição já feita, como a escolha da potência do zener. Rmax VF min VZnom I L max I Z min Rmin VF max VZnom I L min I Z max ENG-04447 – ELETRÔNICA I 71 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-04447 – ELETRÔNICA I 72 36 ENG04447 – Eletrônica I Diodos Circuitos Limitadores e Conformadores ENG-04447 – ELETRÔNICA I 73 Circuitos Limitadores vi vo ENG-04447 – ELETRÔNICA I 74 37 Circuitos Limitadores • Restringir a excursão de um sinal dentro de certos limites – limite superior L+ – limite inferior L– ganho K (faixa não limitada) ENG-04447 – ELETRÔNICA I 75 Circuitos Limitadores • Limitador Ideal • Limitador Real (uso de diodos) ENG-04447 – ELETRÔNICA I 76 38 Circuitos Limitadores – exemplos • Limite superior • Limite inferior ENG-04447 – ELETRÔNICA I 77 Circuitos Limitadores – exemplos • Dois limites • Ajuste do limite ENG-04447 – ELETRÔNICA I 78 39 Circuitos Limitadores – exemplos • Fixação de limites através de diodo zener 79 ENG-04447 – ELETRÔNICA I Circuitos Conformadores • Alteram a forma de um sinal, através da definição de uma função entrada-saída nãolinear e arbitrária inclinação 2:1 vo 8,85V 5,7V -5,7V 5,7V 12V vi inclinação 1:1 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 80 40 Circuitos Conformadores – exemplo • Gerador de Funções: ondas retangular, triangular e senoidal Integrador Comparador vo vR dt Retangular vR vi Triangular vT Conformador vo Senoidal vS vi 81 ENG-04447 – ELETRÔNICA I 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-04447 – ELETRÔNICA I 82 41
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