Transcript
Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS O Diodo Semicondutor - Parte II -
Prof. Marcos Zurita
[email protected] www.ufpi.br/zurita
Teresina - 2012
Sumário ● ● ● ● ● ●
1. Tempo de Recuperação Reversa 2. Resistência do Diodo 3. Modelagem do Diodo (Circuitos Equivalentes) 4. Tipos Especiais de Diodo 5. Aplicações Bibliografia
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
2
1. Tempo de Recuperação Reversa
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
3
Tempo de Recuperação Reversa ●
●
Uma junção pn diretamente polarizada possui uma grande quantidade de portadores minoritários tanto no lado n quanto no lado p: ● lacunas na região n difundidas da região p. ● elétrons-livres na região p difundidos da região n. O que ocorreria se a tensão de polarização (VD) fosse subitamente invertida? ● Um diodo ideal responderia - + - + mudando imediatamente do - + - + estado de condução para o - + - + de não condução. p n Portadores minoritários em excesso
W
ID
ID VD
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
4
Tempo de Recuperação Reversa ●
Num diodo real, o grande número de portadores minoritários em cada região da junção fazem com que a corrente através do diodo seja simplesmente invertida. ● A corrente reversa permanecerá constante durante um período ts enquanto os port. minoritários voltam às suas regiões de origem. ● A partir de então a corrente decresce até o valor de Is. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
5
Tempo de Recuperação Reversa ●
●
●
Tempo de Armazenamento (ts): é o tempo necessário para que os portadores minoritários em excesso retornem às suas regiões de origem após uma súbita mudança da polarização direta para a reversa. Durante o tempo de armazenamento o diodo comportase como um curto-circuito (corrente = Ireversa). Tempo de Transição (tt): é o tempo necessário para estabelecer a corrente de saturação reversa, após o retorno dos portadores minoritários às suas regiões de origem. 6 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
Tempo de Recuperação Reversa ●
●
Tempo de Recuperação Reversa (trr): é o tempo necessário para que a corrente de saturação reversa se estabeleça mediante uma súbita inversão da tensão de polarização direta para a polarização reversa. O trr é dado pela soma dos tempos de armazenamento (ts) e de transição (tt): t rr =t st t
●
● ●
(Eq. 3.1)
O tempo de recuperação reversa é uma característica que limita a operação do diodo em frequências elevadas e em circuitos de chaveamento de alta velocidade. Diodos comuns: trr entre alguns nanossegundos e 1 µs. Diodos especiais: trr menores que 1 nanossegundo. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
7
2. Resistência do Diodo
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
8
Resistência do Diodo ●
●
Conforme se altera o ponto de operação de um diodo, altera-se também sua resistência, uma vez que sua curva corrente-tensão obedece a uma relação não linear. De acordo com o tipo de sinal aplicado é possível caracterizar o diodo por 3 diferentes categorias de resistência: ● ● ●
Resistência Estática Resist. Dinâmica p/ Pequenos Sinais Resist. Dinâmica p/ Grandes Sinais
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
9
Resistência do Diodo Resistência Estática ●
●
Uma tensão estática (invariável) aplicada num diodo implica em um ponto de operação em sua curva característica. A resistência do diodo é dada simplesmente pela relação tensão-correste, isto é: VD R D= ID
●
(Eq. 3.2)
Quanto menor a corrente do diodo (ID), maior é o valor de sua resistência (RD). Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
10
Resistência do Diodo Ex.: Resistência Estática em 3 Pontos de Operação ●
Para ID = 20 mA: V D 0,8 V R D= = =40 I D 20 mA
●
Para ID = 2 mA: V D 0,5 V R D= = =250 I D 2 mA
●
Para VD = -10 V: V D 10 V R D= = =10 M I D 1 A
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
11
Resistência do Diodo Resistência Dinâmica Para Pequenos Sinais ●
●
●
Ao aplicar no diodo um sinal variante no tempo, o ponto de operação também irá variar conforme o sinal. Se o sinal aplicado variar pouco em torno de um valor fixo, podemos associar a este valor um ponto de operação Q. Ponto Quiescente (Q): ponto de operação correspondente ao valor estacionário (estático) em torno do qual o sinal aplicado varia. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
12
Resistência do Diodo ●
●
●
●
O ponto quiescente nos permite linearizar a curva i-v dentro do intervalo de variação do sinal. Dentro do intervalo de varição do sinal admite-se que a resistência do diodo corresponde à tangente do ponto Q. A precisão desta aproximação será tanto maior quanto menor for a variação da tensão e da corrente sobre o diodo, bem como melhor for a equidistância da variação em torno de Q. A Resistência Dinâmica do diodo para pequenos sinais é dada por: VD r d= ID
(Eq. 3.3)
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
13
Resistência do Diodo ●
●
A aplicação da Eq. 3.3 requer geralmente uma análise gráfica do caso, o que nem sempre é conveniente. Por outro lado, sabe-se que a inclinação da reta tangente ao ponto Q pode ser determinada pela derivada da curva no ponto, ou seja: 1 dI D d = = [ I S eV r d dV D dV
logo:
●
D
/ nV T
−1]
nV T r d= I D I S
(Eq. 3.4)
(Eq. 3.5)
Para um diodo à 300K com n=1, VD > V0, temos que: r d≈
26 mV ID
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.6) 14
Resistência do Diodo ●
A Eq. 3.5 pode ser ainda estendida para considerar as resistências parasitas do diodo (rB), tal como a resistência de contato, resultante da conexão entre os terminais metálicos e material semicondutor da junção: nV T r = r B I D I S , d
●
Da mesma forma, para o caso da Eq. 3.6, temos: 26 mV r ≈ r B ID , d
●
(Eq. 3.7)
(Eq. 3.8)
Resistência Parasita do Diodo (rB): ● ●
Diodos de uso geral: 0,1 Ω a 2 Ω. Diodos de alta potência: ~0,1 Ω. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
15
Resistência do Diodo Resistência Dinâmica Para Grandes Sinais ●
●
Se o sinal variante no tempo aplicado no diodo for suficientemente grande para provocar grandes variações na sua corrente, as condições de linearização assumidas para pequenos sinais deixam de ser aplicáveis. Neste caso a linearização é feita: ●
●
1. determinado-se os valores máximo e mínimo de ID impostos pela tensão de entrada (VD). 2. assumindo-se que a corrente varia linearmente entre esses dois extremos. V Dmax−V Dmin r av = I Dmax− I Dmin Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.9) 16
Resistência do Diodo Ex: Resistência dinâmica para grandes sinais V Dmax−V Dmin r av = I Dmax− I Dmin r av =
0,725V −0,650 V 17mA−2mA
r av =5
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
17
3. Modelagem do Diodo (Circuitos Equivalentes)
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
18
Modelagem do Diodo ●
Conforme estudado até o momento, o diodo real apresenta uma série de imperfeições em relação ao diodo ideal: ● ● ● ● ● ● ● ● ●
1. Condução sob polarização reversa (ID = IS); 2. Queda de tensão na condução direta (~V0); 3. Resistência de condução direta (RD, rd ou rav); 4. Resistências parasitas (rb); 5. Capacitâncias de difusão (CD) e depleção (CT); 6. Existência de uma região de ruptura; 7. Curto momentâneo sob inversão súbita da polarização; 8. Dependência térmica dos parâmetros de operação; 9. Limitações de tensão e corrente de trabalho. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
19
Modelagem do Diodo Modelo Geral ●
●
Para facilitar o projeto e a análise de circuitos envolvendo diodos, é conveniente representa-lo em termos de um circuito equivalente. Assumindo que o diodo opere fora da ruptura e dentro dos limites de tensão e corrente, é possível definir um modelo considerando as 5 primeiras “não-idealidades”: CT
sob polarização reversa
Diodos ideais
IS rb
A
K
Rm
sob polarização direta
V0
CD
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
20
Modelagem do Diodo Modelo Para Baixas Frequências ●
Simplificação do modelo geral considerando: ●
frequência do sinal baixa → CD e CT desprezíveis;
●
corrente na polarização reversa desprezível. Rm + rb
A
K
V0 ●
Onde Rm é igual a: ● ● ●
RD para operação estática; rd para operação com pequenos sinais; rav para operação com grandes sinais;
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
21
Modelagem do Diodo Modelo Para Médias Frequências ●
Simplificação do modelo geral considerando: ● ●
●
frequência do sinal elevada → CD e CT não desprezíveis; condução do diodo não desprezível frente à condução devido à CD e CT; corrente na polarização reversa desprezível. Rm
A
●
rb V0
K
CT + C D
Onde Rm é igual a rd ou rav, dependendo da amplitude do sinal aplicado.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
22
Modelagem do Diodo Modelo Para Altas Frequências ●
Simplificação do modelo geral considerando: ●
frequência do sinal suficientemente alta para tornar o efeito de CD e CT dominantes frente à resposta do diodo. Rm
A/K
●
rb CT + C D
K/A
Onde Rm é igual a rd ou rav, dependendo da amplitude do sinal aplicado.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
23
Circuitos Equivalentes do Diodo Modelo Simplificado Para Baixas Frequências ●
●
Simplificação do modelo para baixas frequências desprezando as resistências de polarização e parasitas. Neste modelo o diodo real é visto apenas como um diodo ideal que conduz a partir de V0 volts.
K
A V0
V0 ●
Apesar da aproximação grosseira este modelo é suficiente para grande parte das aplicações em BF. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
24
4. Tipos Especiais de Diodos
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
25
Tipos Especiais de Diodos ●
Alguns tipos especiais de diodos: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
Diodo Zener Diodo Schottky Varactor (Varicap) Diodo Tunel (Esaki) Diodo PIN Diodo de Corrente Constante Fotodiodo LED OLED Diodo Laser
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
26
Tipos Especiais de Diodos Diodo Zener A
● ● ●
●
K
A
K
São diodos projetados para operar na região de ruptura. Obtidos pela forte dopagem da junção pn. Principais características em relação a um diodo comum: ● Tensão Zener precisamente determinada. ● Resistência na ruptura extremamente baixa. Geralmente especificados por sua tensão Zener e potência máxima de trabalho. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
27
Tipos Especiais de Diodos Alguns Valores Comerciais de Diodos Zener
0,5W
1,3W
2,7V
3,0V
3,3V
3,6V
3,9V
4,3V
4,7V
5,1V
5,6V
6,2V
6,8V
7,5V
8,2V
9,1V
10V
11V
12V
13V
15V
16V
18V
20V
24V
27V
30V
4,7V
5,1V
5,6V
6,2V
6,8V
7,5V
8,2V
9,1V
10V
11V
12V
13V
15V
16V
18V
20V
22V
24V
27V
30V
33V
36V
39V
43V
47V
51V
56V
62V
68V
75V
100V 200V
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
28
Tipos Especiais de Diodos Principais Aplicações ● Reguladores de tensão (para pequenas cargas); RS VS VE
● ● ●
IS
IZ
IL
RL
Protetores contra sobretensão; Limitadores de tensão; Circuitos geradores de tensão de referência. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
29
Tipos Especiais de Diodos ●
Para que o zener opere corretamente (na região de ruptura) sua corrente reversa deve ser mantida acima de um valor mínimo (IZK ou IZmin) e abaixo do valor máximo (IZM ou IZmax): P ZM I ZM = VZ
●
(Eq. 3.10)
Onde PZM é sua máxima potência de trabalho. Coeficiente de Temperatura (TC): expressa a influência da temperatura na variação da tensão zener: VZ T C= ×100 % V Z T 1−T 0
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.11)
30
Tipos Especiais de Diodos Diodo Schottky
●
●
São diodos formados pela junção entre uma metal e um SC tipo n (ao invés de uma junção pn). Principais características em relação a um diodo comum: ● ● ● ● ● ●
Extremamente rápido (pode operar até ~300GHz) Baixa queda de tensão (~0,15 a 0,45 V); Valores de trr, CD e CT extremamente baixos; Corrente reversa elevada e proporcional a VD. Corrente máxima de trabalho limitada. Baixa tensão de ruptura. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
31
Tipos Especiais de Diodos Principais aplicações ● ● ●
●
Fontes chaveadas de baixa tensão; Circuitos digitais de alta velocidade; Chaveadores de alta velocidade.
Curva típica de um diodo Schottky: ID
VBR
VRWM IR
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
32
Tipos Especiais de Diodos Diodo Varactor (Varicap)
●
●
São diodos concebidos de modo a maximizar a capacitância de transição (CT); Quando reversamente polarizados, comportam-se como capacitores cuja capacitância é ajustada pela tensão (VD).
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
C
33
Tipos Especiais de Diodos ●
De acordo com a relação entre a capacitância máxima e mínima ajustável, os varicaps podem ser classificados como: ● ● ●
Abruptos: Cmax/Cmin de até 4:1; Hiper abruptos: Cmax/Cmin de até 10:1; Super-hiper abruptos: Cmax/Cmin de até 20:1. C
Cmax
Cmin Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
34
Tipos Especiais de Diodos Principais Aplicações ●
● ● ● ● ●
Sintonizadores em estado sólido de rádio e TV;
Osciladores paramétricos; Amplificadores paramétricos; Multiplicadores de frequência; VCOs (Osciladores Controlados por Tensão); PLLs. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
35
Tipos Especiais de Diodos Diodo PIN
●
●
●
●
São diodos formados pela adição de uma região de silício intrínseco entre as regiões p e n (daí o nome: PIntrinsic-N). Quando polarizado diretamente comporta-se como uma resistência de baixo valor controlada pela corrente. Quando polarizado reversamente comporta-se como uma resistência de elevado valor. Principais características em relação a um diodo comum: ● ●
Elevada resistência reversa; Elevada tensão de ruptura. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
36
Tipos Especiais de Diodos ●
Principais aplicações: ● ●
Comutador de RF; Protetor de sobretensão;
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
37
Tipos Especiais de Diodos Diodo Tunel (Diodo Esaki)
●
São diodos que apresentam uma região de resistência negativa.
IP
IV VP
VV
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
38
Tipos Especiais de Diodos ●
Principais características em relação a um diodo comum: ● ● ● ● ● ● ●
Baixo fator de ruído; Ampla temperatura de trabalho; Baixa sensibilidade térmica; Baixa sensibilidade a radiação; Capaz de operar em altas frequências (~5 Ghz); Elevada corrente na polarização reversa; Tensão de ruptura extremamente baixa (~200 mV).
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
39
Tipos Especiais de Diodos Principais Aplicações ●
● ● ●
●
Osciladores de alta frequência;
Dispositivos de uso militar; Amplificadores de UHF; Comutadores de RF;
Suas principais especificações são as que definem a região de resistência negativa, isto é: ● ●
Tensão e corrente de pico (VP e IP). Tensão e corrente de vale (VV e IV).
IP
IV VP
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
VV
40
Tipos Especiais de Diodos Diodo de Corrente Constante
●
●
São diodos concebidos para apresentar uma região de operação onde a corrente se mantém praticamente constante. Se o circuito “tenta” aumentar a corrente através dele, esse diodo IP responde com um aumento na queda de tensão, mantendo o valor da corrente. VP
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
41
Tipos Especiais de Diodos Principais Aplicações ● ●
Limitadores de corrente em diodos laser; Circuitos de recarga de pequenas baterias (onde a corrente constante torna o tempo de recarga mais previsível).
IP
VP Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
42
Tipos Especiais de Diodos Diodo Emissor de Luz (LED)
●
●
São diodos capazes de emitir luz sob polarização direta. A cor da luz emitida depende do tipo de SC e dos dopantes empregados na sua fabricação.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
43
Tipos Especiais de Diodos ●
●
Sua tensão de condução direta (VD) é sempre superior a de um diodo de Si comum (0.7V) e depende da cor da luz emitida, com pequenas variações entre cada fabricante. Apresentam baixa tolerância à tensão reversa (BRV), quando comparados a diodos comuns. Dados Típicos de LEDs Comerciais Luz Emitida
λ (nm)
VD (V)
ID (mA)
IR (μA)
BRV (V)
Composição
Azul
465 à 470
3,4
20
2,0
5,0
InGaN, GaAsP/Ga, ZnSe
Verde
525 à 568
3,3
20
2,0
5,0
GaP, GaN, InGaN, AlGaP
Vermelha
600 à 640
2,1
20
100
4,0
AlGaInP, GaAsP/Ga
Amarela
580 à 590
2,1
20
100
4,0
GaAsP/GaP, AlGaInP
Branca
465 à 625
3,4
20
2,0
5,0
InGaN + YAlO
*LED General Catalog 2006 - Toyoda Gosei & Through Hole LEDs Catalog 2010, Kingbright
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
44
Tipos Especiais de Diodos Principais Aplicações ● ● ● ●
Sinalização; Mostradores; Iluminação; Retro-iluminação de mostradores LCD e painéis; RS
VE
ID
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
45
Tipos Especiais de Diodos Fotodiodo
● ●
●
São diodos sensíveis à luz. Podem ser obtidos a partir de uma junção pn ou PIN, cuja região p é exposta à incidência luminosa. Possuem basicamente dois modos de operação: ●
●
Modo Fotovoltaico: neste modo o fotodiodo não é polarizado, gerando uma tensão entre seus terminais proporcional a intensidade luminosa incidente. Modo Fotocondutivo: neste modo o fotodiodo é reversamente polarizado, sendo a corrente reversa proporcional a incidência luminosa. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
46
Tipos Especiais de Diodos ●
Principais aplicações: ● ● ● ● ● ● ●
Geração de energia solar (fotodiodos de grande área); Dispositivos de comunicação óptica; Medidores de intensidade de luz; Sensores de obstáculos; Detectores de luz; Detectores de fumaça; Leitores de CD/DVD;
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
47
Tipos Especiais de Diodos ●
Alguns fotodiodos comerciais
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
48
Tipos Especiais de Diodos OLED (Organic LED)
●
●
●
● ● ●
São LEDs construídos a partir compostos orgânicos. A cor da luz emitida depende basicamente do composto orgânico utilizado. Bloqueia a passagem da luz quando reversamente polarizado. Altamente eficientes; Flexíveis; Baixo custo de fabricação; Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
49
Tipos Especiais de Diodos Diodo Laser
●
●
São LEDs capazes de emitir luz de forma coerente e polarizada. Diodos de corrente constante são muitas vezes associados em série com eles, de modo a protegê-los e a estabilizar a intensidade da luz emitida (que é proporcional à corrente ID).
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
50
Tipos Especiais de Diodos Principais Aplicações ● ● ● ● ● ● ● ● ●
Leitores ópticos de CDs, DVDs, Blue-Ray; Comunicação por fibra óptica; Impressoras; Scanners; Apontadores laser; Instrumentos de medição; Leitores de código de barras; Sensores de obstáculo; Instrumentos médico/cirúrgicos;
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
51
5. Aplicações
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
52
Aplicações Retificadores ●
●
●
Uma das aplicações mais importantes dos diodos é na construção de circuitos retificadores. Os retificadores constituem um dos quatro blocos elementares de uma fonte de tensão CC. São responsáveis por retificar a tensão de entrada AC em uma tensão de saída CC. Fonte de Alimentação CC Transformador Rede Elétrica 220V rms 60 Hz
Retificador
Filtro
Regulador de Tensão
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
Carga
53
Aplicações ●
Existem 3 tipos básicos de retificadores: ● ● ●
●
Retificador de meia onda; Retificador de onda completa; Retificador de onda completa em ponte.
A análise e projeto de cada retificador requer ainda o conhecimento de alguns conceitos básicos que serão abordados inicialmente, são eles: ● ● ●
Valor Médio de um Sinal Periódico Valor Eficaz de um Sinal Periódico PIV
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
54
Aplicações Valor Médio de um Sinal Periódico ●
●
É um valor constante que num dado intervalo de tempo T corresponde ao valor médio do sinal no mesmo intervalo de tempo. Graficamente, corresponde a área média do sinal em função do tempo, sendo a área da curva acima de zero considerada positiva ou negativa, caso contrário.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
55
Aplicações ●
Matematicamente, o valor médio de um sinal f(t) no intervalo de t = t0 a t = t1 é dado por: 1 t1 F CC = ∫t0 f t dt T
●
(Eq. 3.12)
Ex: Determinar o valor médio da tensão v(t) = |vmsen(ωt)| 1 Vcc= ∫0 ∣v m sen t ∣dt 2 vm Vcc=
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
56
Aplicações Valor Eficaz de um Sinal Periódico ●
●
●
●
Admita que um sinal variável de corrente percorra um resistor. Ainda que, num intervalo T, o valor médio desse sinal seja nulo, ele provocará uma dissipação de potência não nula no resistor. Admita agora que o mesmo resistor seja submetido a uma corrente contínua capaz de dissipar a mesma potência no mesmo intervalo de tempo. A esse valor de corrente contínua denominamos corrente eficaz ou corrente RMS. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
57
Aplicações ●
●
Valor Eficaz de um Sinal Periódico: é um valor constante de tensão, corrente ou potência que num dado intervalo de tempo T causa a mesma dissipação de potência numa carga referencial que o sinal em questão, no mesmo intervalo de tempo. Também denominado Valor RMS (Root Mean Square – Raiz Média Quadrática).
1 t1 2 F RMS = f t dt ∫ t0 T
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.13)
58
Aplicações ●
Ex: Determinar o valor médio da corrente i(t) = imsen(ωt)
1 2 I RMS = [i sen t] dt ∫ m 0
I RMS =
im
2
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
59
Aplicações Tensão de Pico Inversa (PIV) ●
●
●
●
●
Nos circuitos retificadores os diodos operam continuamente sob condições de inversão de polarização. Nos intervalos de polarização direta o principal parâmetro é a corrente máxima sobre o diodo. Nos intervalos de polarização reversa o principal parâmetro é a tensão de pico inversa (PIV - Peak Inverse Voltage), isto é a tensão reversa máxima que o circuito aplica sob o diodo. O diodo a ser adotado deve ser capaz de suportar tais condições com alguma margem de segurança. Recomenda-se a adoção de diodos com características ao menos 50% maiores do que as da aplicação. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
60
Aplicações Retificador de Meia Onda ●
Sob entrada senoidal temos: V cc=0,318V m−V 0
(Eq. 3.14)
V ef =V m −V 0 /2
(Eq. 3.15)
PIV =V m
(Eq. 3.16)
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
61
Aplicações ●
Resposta de um retificador de meia onda.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
62
Aplicações Retificador de Onda Completa ●
Sob entrada senoidal temos: V cc=0,636 V m−V 0
(Eq. 3.17)
V ef =V m −V 0 / 2
(Eq. 3.18)
PIV =2 V m
(Eq. 3.19)
vs Vm - V 0
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
63
Aplicações Retificador em Ponte ●
Sob entrada senoidal temos: V cc=0,636 V m−2V 0
(Eq. 3.20)
V ef =V m −2V 0 / 2
(Eq. 3.21)
PIV =V i
(Eq. 3.22)
vs Vm - 2V0
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
64
Aplicações Fator de Ripple ●
É o fator percentual do valor eficaz do ripple de um sinal presente no valor médio (ou DC) deste mesmo sinal. F RMS = ⋅100 F CC
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.23)
65
Aplicações Filtro Capacitivo ●
●
A forma mais simples de reduzir as variações de tensão e corrente na saída de um retificador é através de um filtro capacitivo. Consiste simplesmente num capacitor colocado em paralelo com a saída do retificador. I oT o C= Vo
●
(Eq. 3.24)
Neste caso, a potência média na carga será dada por: P o=
V 2o
DC
RL
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.25) 66
Aplicações Regulador de Tensão à Diodo Zener ●
●
Uma possível implementação do regulador de tensão de uma fonte CC é através de um diodo zener. Ex: Deseja-se obter uma fonte de tensão estabilizada (Vs) em 18V a partir de uma fonte de entrada (VE) de 24V com ripple de 4V, capaz de alimentar cargas (RL) de 50Ω a 10kΩ. Especifique o resistor série (RS) a ser empregado. RS VS VE
IS
IZ
IL
RL
Dados do Zener
VZ = 18 V IZK = 20 mA IZM = 1,0 A
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
67
Aplicações Passos da solução: ● 1°: Determinar R SMAX nas condições de carga máxima sob tensão mínima de entrada; ● 2°: Determinar R Smin nas condições de carga mínima sob tensão máxima de entrada; ● 3°: Arbitrar a resistência de R de modo a satisfazer S mutuamente RSMAX e Rsmin; ● 4°: Com base no valor de R adotado, determinar a S potência máxima dissipada nele (quando VE = VEMAX); ● 5°: Arbitrar a potência do resistor R de modo a S satisfazer PRSMAX; Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
68
Aplicações Porta AND Resistor de pull-up
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
69
Aplicações Porta OR
Resistor de pull-down
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
70
Aplicações Dobrador de Tensão de Onda Completa ●
Produz na saída uma tensão DC duas vezes maior que a tensão de pico da fonte AC de entrada.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
71
Aplicações Dobrador de Tensão (Meia Onda) ●
Produz na saída uma tensão DC duas vezes maior que a tensão de pico da fonte AC de entrada.
Vm-V0 2(Vm-V0)
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
72
Aplicações ●
Simulação via MultiSim usando análise de transiente de t=0 a t=150ms.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
73
Aplicações Multiplicador de Tensão por “N” ●
Pela repetição da “célula” elementar (diodo-capacitor) do dobrador de tensão é possível obter um multiplicador da tensão de entrada por “N”. Triplicador 3(Vm-V0)
Dobrador 2(Vm-V0) Quadruplicador 4(Vm-V0) Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
74
Aplicações Ceifadores em Série ●
São circuitos capazes de ceifar parte do sinal de entrada mantendo o restante do sinal inalterado. vS :
se v E V V 0 ⇒ v S =0 se v E V V 0 ⇒ v S =v E −V V 0
vE
(Eq. 3.23)
vS
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
75
Aplicações Ceifadores em Paralelo ●
São ceifadores onde o diodo encontra-se em paralelo com a saída. vS :
se v E V −V 0 ⇒ v S =V −V 0 se v E V −V 0 ⇒ v S =v E
(Eq. 3.24)
vS
V
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
76
Aplicações ●
Ex: Ceifador paralelo para V=4,7 V.
vE
vS
V
vS
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
77
Aplicações ●
Ceifadores em série (simples e polarizados) Ceifadores em Série Simples (diodos ideais) POSITIVO
NEGATIVO
Ceifadores em Série Polarizados (diodos ideais)
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
78
Aplicações ●
Ceifadores em paralelo (simples e polarizados) Ceifadores em Paralelo Simples (diodos ideais)
Ceifadores em Paralelo Polarizados (diodos ideais)
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
79
Aplicações Grampeador ●
●
●
É um circuito capaz de deslocar a tensão de entrada em torno de uma tensão desejada. Deve-se notar que a excursão do sinal de saída mantem-se igual a do sinal de entrada. A polaridade do diodo determina se o sinal será “grampeado” positivamente ou negativamente.
vE
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
vS
80
Aplicações ●
●
Ex.: Grampeador com V=5V, R=100kΩ, C=1µF. Sinal de entrada: onda quadrada de +10 a -20V, f=1kHz.
vE
vS
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
81
Aplicações Determinação do Capacitor ● Assumindo que R seja a resistência da carga alimentada pelo grampeador, deve-se escolher o valor de C elevado o suficiente de modo que ele não descarregue significativamente durante o intervalo em que o diodo não estiver conduzindo. ● É razoável assumir que o capacitor descarrega totalmente segundo a equação: T DESCARGA=5 ●
(Eq. 3.25)
Onde τ é a constante de tempo do circuito (em segundos), dada por: =RC Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
(Eq. 3.26) 82
Aplicações logo: T DESCARGA=5 RC ●
Para minimizar a variação indesejável a tensão de saída, é recomendável arbitrar o valor do capacitor C de tal maneira que seu tempo de descarga seja, ao menos, 10 vezes superior ao período do sinal de entrada, ou seja: C≥
●
(Eq. 3.27)
T 50 R
ou
C≥
1 50 Rf
(Eq. 3.28)
Onde T e f são o período e a frequência do sinal de entrada, respectivamente.
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
83
Aplicações ●
Circuitos grampeadores (diodos ideais).
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
84
Aplicações ●
Ex.: Grampeador com uma entrada senoidal (diodo ideal).
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
85
Bibliografia ●
●
●
●
●
Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, “Microeletrônica”, 4ª Edição, Makron Books, 1999. Behzad Razavi, “Fundamentos de Microeletrônica”, 1º Edição, LTC, 2010. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”, 8º Edição, Prentice Hall, 2004. David Comer, Donald Comer, “Fundamentos de Projeto de Circuitos Eletrônicos”, LTC, 2005. Jimmie J. Cathey, “Dispositivos e Circuitos Eletrônicos”, 2ª Ed., Coleção Schaum, Bookman, 2003. Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
86
